加热炉高原运行监测评价标准修正建议

邢台 兰海涛 李春保 马金旭（青海油田钻采工艺研究院节能监测中心）

加热炉高原运行监测评价标准修正建议

邢台 兰海涛 李春保 马金旭（青海油田钻采工艺研究院节能监测中心）

青海油田地处高原，油田集输系统加热炉运行指标偏低，在热效率、空气系数、排烟温度等指标上与中国石油的平均指标相比，存在较大的差距。根据油田历年来的加热炉监测数据报告，对比加热炉在高原和平原运行时多项监测评定指标的差别，特别是空气系数和热效率的指标差别。探讨了高海拔地区理论计算的空气系数，提出针对油田燃气加热炉实施的新节能监测规范指标，并在高原加热炉运行评价时进行修正。进一步确定高原加热炉运行节能监测的合理指标，以便全面准确评价高原运行加热炉的用能效果。

青海油田；高原加热炉；指标；监测评价标准；修正

油气田加热炉是油气加工储运过程中不可或缺的加热设备，也是油气田的主要能耗设备。油气田加热炉的能效评价标准是评定加热炉能源利用率的程序和法规，油气田加热炉的能效评价标准是油气田采购、制造和维修维护加热炉的主要依据，同时加热炉的监测评价标准也是判定加热炉运行过程中用能水平的主要指标和依据。加热炉使用过程中节能监测评价指标的合理选择，对于规范加热炉生产行业和提高加热炉的节能运行管理水平具有重要意义。

1 油田现行的加热炉节能监测评价标准

目前，油田加热炉节能监测评价主要依据GB/T 31453—2015《油田生产系统节能监测规范》、SY/T 5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》、SY/T 6381—2016《石油工业用加热炉热工测定》等技术标准文件进行测试、计算和能效等级评价。作为油田燃气加热炉日常的节能监测工作，按照监测规范，主要采取三级监测，通常采用反平衡法进行测试[1]。采用反平衡法测试，一方面方便日常的监测工作，另一方面便于掌握加热炉日常运行中能耗问题所在。监测评价的指标主要是排烟温度、空气系数、炉体外表温度和热效率。目前中石油加热炉在选取加热炉监测评价指标过程中，主要是依据GB/T 31453—2015《油田生产系统节能监测规范》确定的四项考核指标。

青海油田地处高原，生产基地平均海拔2900 m，根据多年来测试经验和监测数据，对加热炉采用现行统一的监测评价标准进行评价和考核，不能全面准确反映高原加热炉的节能运行水平。海拔3000 m的高原，由于空气密度的变化，相同体积的空气中，含氧量会发生相应的变化，加热炉燃烧的空气系数也会发生变化；由于高原环境，季节温差和日夜温差较大，排烟温度的要求也有较大差距；海拔升高，空气密度降低，散热和对流作用减弱，暴露在空气中的加热炉其外表温度就会升高；此外，相同功率、负荷和外保温材料情况下运行的锅炉，外表温度也会有所差别。测试参数也会对加热炉的热效率计算和总体评价产生差别。因此对于地处高原环境的青海、玉门等油田的加热炉，在监测评价标准上还应区别对待。

2 高原环境对油田加热炉运行监测指标的影响

2.1 热效率

热效率是衡量加热炉生产制造和运行的一个重要指标。对于采用反平衡法测试的加热炉，其热效率的计算与加热炉的型号、容量、燃料种类、外部环境有着密切关系。加热炉的热效率指标也是衡量加热炉经济运行的综合指标。热效率指标与排烟热损失、散热损失、化学不完全燃烧热损失和空气系数有密切的关系，其中排烟热损失是决定热效率高低的主要因素，其大小又取决于排烟温度的高低和空气系数的大小。

2.2 空气系数

空气系数不仅是加热炉监测的主要指标之一，也是影响加热炉热效率的主要因数[2]。通常，最优空气系数值是通过大量的现场测试和应用得出的经验数值。空气系数在不同的海拔高度，由于空气密度的变化，同体积内的氧气含量随之变化，由于空气密度和压力的变化，加热炉合理燃烧的空气系数也会发生变化。根据多年的测试经验显示，海拔越高，空气系数的合理值越大。2011年中国石油股份公司对所属各油田的3877台油田加热炉进行了节能监测，平均热效率为80.0%，平均空气系数为2.3；胜利油田对其所属的849台加热炉进行监测，其平均热效率为83.1%，空气系数为1.6；青海油田2011年对各采油气厂的150台加热炉进行了监测，平均热效率为80.12%，空气系数为2.4。2015年中国石油对其所属各油田（包括青海油田147台）的3520台加热炉进行了监测，平均热效率为85.2%，空气系数为1.7；同期青海油田对其所属的油气田的147台加热炉进行了监测，平均热效率为82.3%，平均空气系数为2.2，具体情况见表1[3]。对于平原基本要达到1.65～1.75[4]的评价合格值，对于高原油田（青海油田海拔约在3000 m）的加热炉监测，有必要对空气系数的监测和评价作出适当的调整。

表1 2011、2015年加热炉监测指标平均数据

2.3 空气系数对热效率的影响

加热炉是靠燃料中的可燃成分与空气中的氧气充分混合燃烧后转变为热能的。燃料燃烧时需要的氧气来源于空气，空气中氧气的体积分数约为21%，1 m3（0℃，101.325 kPa）天然气在标准状态下完全燃烧所需要的理论空气量约为9.64 m3。

由于影响燃料完全燃烧程度的因素很多，其中空气的供给量是否充分，燃料与空气的混合是否良好是很重要的条件。加热炉在实际运行中，燃料不可能在理论空气量下完全燃烧，总要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧，空气需要量可由下式求得：

式中：α——空气系数；

V——实际燃烧的空气体积，m3；

V0——理论燃烧的空气体积，m3。

对于加热炉而言，在正常燃烧情况下的空气系数α为1.05～1.20[5]。由于青海油田地处西北高原，地域内的加热炉使用海拔高度在3000 m左右，空气中含氧量与标准状态相比有较大的差异。

由于空气压力、温度和密度符合理想气体的状态方程，因此在一定温度下，大气压力与其密度成正比，三者的关系用理想气体状态方程表示如下：

式中：P——大气压力，Pa；

ρ——空气密度，kg/m3；

T——热力学温度，K；

R——气体常数，J/(kg·K）。

对于空气的气体常数R=287 J/(kg·K)，在已知某状态的两个基本参数时，根据式（2）就可以求出在该状态下的空气密度。

如果将空气中含氧量近似为常数，通过公式（3）可以计算出不同海拔高度与地面等同条件下的相对氧气密度，即

C——地面附近空气中含氧量，%；

ρH——不同海拔高度的空气密度，kg/m3。

不同海拔高度的相对氧气密度与标准状态下氧气密度的比值，等于两者单位体积氧气含量的质量比，这一比值实际上就是不同海拔高度燃烧所需实际空气量的修正值，即

式中：K——高原修正系数；

ρ0——标准状态下的氧气密度，kg/m3。

当外界温度为15℃时，根据公式（2）可计算出不同海拔高度下的空气密度。不同海拔高度下的空气密度及空气中的理论含氧量见表2。

由表2可知，随着海拔高度的升高，空气中含氧量也随之降低。由于空气中含氧量发生了变化，所以在标准状态下计算出的理论空气量值不适合高原地区。由此可以看出，只有将与海拔高度相对应的空气中含氧量作为主要参数，对燃烧所需要的实际空气量进行修正，才能够达到燃料以最小过量空气系数完全燃烧的目的。

表2 海拔高度与空气密度、理论含氧量的关系

由于海拔高度为零的地面附近空气中含氧量为20.95%，按照公式（2），在此条件下地面附近的氧气密度为

当海拔高度在3000 m时，氧气密度为

当海拔高度在3000 m时，根据公式（3）其修正系数为

因此，海拔高度在3000 m时，水套加热炉充分燃烧所需的实际空气系数为α′=α/K=1.48。建议将青海油田加热炉空气系数控制在小于或等于2.2。

2.4 炉体外表温度

炉体外表温度是加热炉运行监测主要指标之一。不同的海拔高度下，由于空气密度的变化对运行设备的散热有一定的作用。海拔升高，空气密度降低，散热和对流作用减弱，暴露在空气中加热炉外表温度就会升高。相同功率、负荷和外保温材料情况下运行的锅炉，外表温度也会有所差别。海拔每升高100 m，温度增加0.1～0.4℃。对于安装在室外的加热炉，气候温度也会随海拔的升高而降低，海拔每升高100 m，气温降低约0.6℃，可以部分抵消由于海拔升高的温度影响。

由表1可知，实际监测中所有加热炉的表面温度完全达标，而且远低于50℃的限定值；因此，高原环境对加热炉的外表面温度评定基本不受影响。

3 排烟温度对热效率的影响

排烟热损失是决定热效率高低的主要因数，其大小取决于排烟温度和空气系数的高低。排烟温度越高，排出烟气的热焓值越高，带走的热量就越多；降低排烟温度可提高热效率，但排烟温度也不是越低越好，排烟温度过低，会使烟气中的SO2、CO2等对加热炉烟道和尾部受热面造成腐蚀，缩短设备的使用寿命。

排烟温度的高低直接影响到排烟损失率的大小，排烟温度每降低10～15℃，加热炉热效率就可以提高1%[6]；因此，应将排烟温度控制在合理范围之内。根据SY/T 5262—2009《火筒式加热炉规范》，排烟温度按当地烟气露点温度（青海油田冬季平均酸露点温度为90℃）加20～30℃的规定，在日常生产中，将加热炉排烟温度控制在130～160℃之间较为合适。根据表1实测，实际排烟温度也在此范围之内。

加热炉在实际运行中，燃料燃烧和换热过程非常复杂。空气系数的变化对加热炉的排烟热损失、化学不完全燃烧热损失和热效率都有很大的影响。空气系数越大，表明进入炉内的空气增多，排烟容积就越大，排烟热损失q2显著增大，大量热量随烟气排放至大气。空气系数过大，一方面会使炉内燃烧温度下降，烟气中的CO难以完全燃烧，导致不完全燃烧热损失q3增大；另一方面会使烟气在炉内的流速加快，燃料在炉内未能充分燃烧就排出，导致q3增大，热效率下降。

由表3可知，排烟热损失随排烟温度的升高和过量空气系数的增大而增大。在相同工况下，当排烟温度在150℃时，过量空气系数每增加0.1，排烟热损失增加0.528%；当排烟温度在200℃时，空气系数每增加0.1，排烟热损失增加0.705%。

表3 排烟热损失（按标准组分计算）

根据实际测试经验可知，燃烧时排烟热损失q2是决定热效率高低的主要因数，其大小取决于排烟温度、空气系数的高低。即：排烟温度越高，排出烟气的热焓值越高，带走的热量就越多；空气系数越高，说明进入加热炉内的空气过多，大量的过剩空气随着排烟，将较多的热量从烟道排入大气，热损失增大，热效率下降。此外，空气系数过大还使火筒内燃烧温度下降，从而减小热辐射强度，增加燃料用量，导致热效率下降。因此，根据不同海拔高度，选择合适的空气系数，是合理控制排烟温度、提高炉效的重要手段。

4 结论

根据现行加热炉监测评价标准，影响加热炉监测结果和评判的主要标准有四项，其中和外部环境相关的因数主要有空气系数、炉体外表温度。空气系数对加热炉整体热效率的影响又是主要因素之一，排烟温度与环境和季节有一定的关系。从理论计算可以作为一个分析补偿手段，但要确定不同海拔高度的监测和评价标准，还需做进一步的现场试验和测试对比数据。建议应加强此项测试研究工作。

[1]国家能源局.石油工业用加热炉热工测定：SY/T 6381—2016[S].北京：石油工业出版社，2016：3-13.

[2]高丽霞，袁隆基，周泽妮，等.确定最佳过量空气系数的新方法[J].煤矿机械，2009，30（8）：31.

[3]李秀娟.油田加热炉节能运行的综合评价[D].大庆：东北石油大学，2011.

[4]中国国家标准化管理委员会.油田生产系统节能监测规范：GB/T 31453—2015[S].北京：石油工业出版社，2015：4-5.

[5]徐学慧，陶进峰.基于NOx的平焰燃烧加热炉最佳过剩空气系数的数值研究[J].工业安全与环保，2012，38（12）：55-57.

[6]施益昌.通过控制过量空气系数提高注气锅炉热效率[J].管道技术与设备，2004（1）：16-17.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.020

2016-11-06

（编辑 张兴平）

邢台，高级工程师，1987年毕业于华东石油学院（矿场机械专业)，从事节能监测及节能节水技术研究，E-mail：xtqh@petrochina.com.cn，地址：甘肃敦煌七里镇钻采工艺研究院，736202。