油田加热炉节能增效新技术浅析*

王宗明 王杰松 王云鹏 李以善

（1.中国石油大学（华东）；2.山东省特种设备检验研究院有限公司）

加热炉在油田油气集输系统中广泛应用，其能耗较高，在油气集输系统总能耗中占很大比例[1]，占油田总能耗的四分之一左右[2]，降低加热炉热损失、提高其热效率对降低油田生产成本、提高油田的整体效益具有十分重要的意义。

造成油田加热炉能效较低的原因很多，主要是油田加热炉现场使用条件变化较大，如油气产量、环境温度等经常变动。如果加热炉参数不能自动适应，就会导致加热条件与物料参数不匹配，使加热炉运行效率降低；或者炉型落后，本身设计效率不高，也会导致燃料利用率不高，造成损失。近年来，国家政策不断完善，环保要求日益严格，对能源利用效率也提出了更高的指标。油田相关单位针对油田加热炉在高效清洁燃烧、节能环保等方面做了大量的研究，取得了较大的成果。国家《“十三五”节能减排综合工作方案》要求国内万元生产总值能耗继续降低，到2020年应比2015年下降15%[3]，加热炉又是油田生产中的耗能大户，进一步提高加热炉运行效率仍是非常紧迫的一个问题。

1 油田加热炉运行现状分析

油田加热炉通过燃烧器将燃料燃烧，产生火焰和炙热的烟气，以加热原油、天然气、水等介质。目前，油田常用的加热炉主要是水套式加热炉、管式加热炉以及导热油炉等[4-5]。油田加热炉受油井生产的限制，热负荷波动较大；而且往往单台热负荷偏小，虽然被加热介质流量较大，但是要求温升小，一般不超过50℃。近几年，国内油田非常重视对加热炉运行状况的测试分析[1，6-8]，典型统计数据见表1。

表1 国内油田加热炉运行情况统计

由表1可知，国内油田加热炉过剩空气系数大、排烟温度高、热效率低等情况普遍存在。目前国外先进水平加热炉的平均热效率可达85%～90%[1]，因此，我国油田加热炉的平均热效率仍然较低。这主要是因为现场加热炉良莠不齐，差异很大，部分产品热效率较低；现场工作人员操作不够精细，没有及时调控加热炉运行参数，导致加热炉没有在设计工艺参数下运行[9]。

国内油田加热炉热效率与国外先进水平加热炉相比仍有差距，而且国内油田的生产成本偏高，进一步降低加热炉的热损失，提高其热效率迫在眉睫。

2 加热炉常用节能措施

2.1 提高燃烧效率

加热炉把油气的化学能转化为热能加以利用，燃烧器是其关键部件。对燃烧器的结构进行改造，采用新型燃烧技术，或更换新型燃烧器，提高燃料燃烧效率是提高加热炉整体效率的前提。近年来，多种高效燃烧技术应用到油田加热炉上，如燃油改燃气、高效雾化燃烧技术、蓄热燃烧技术、脉动燃烧技术、分级燃烧技术及富氧燃烧技术等[10-13]。保证燃烧高效、稳定地进行，通过燃烧高效地完成能量转换，得到尽量多的热能，才有可能提高加热炉热效率。

2.2 烟气余热利用

排烟热损失是造成加热炉热效率低的重要因素[11-14]，排烟温度高，烟气带走的热量多，加热炉热效率下降。排烟温度每降低13℃左右，就可以使加热炉热效率提高1%。加设对流室或扩大对流室传热面积，可以充分利用烟气热量，降低排烟温度。在一定范围内，随着助燃风温度增加，加热炉热效率增大。对于管式加热炉，助燃风温度增加20℃左右，炉子热效率可增大1%。应用空气预热器加热助燃风，既可以充分利用烟气余热、降低排烟热损失，又可增加助燃风温度，增大加热炉热效率；因此，采用空气预热器回收烟气热量是非常有效的节能措施。在条件具备时，也可以在加热炉尾部安装余热回收换热器。

2.3 减少炉墙散热损失

炉墙内侧为耐火层和隔热层，外侧为金属壁面，但是炉体外表面温度仍然会高于环境温度，炉壁热量会传到环境中造成热损失。根据检测数据，加热炉炉壁散热损失较大，是加热炉三大热损失之一，有时甚至会超过30%[12-13]。为了增加炉墙热阻，可以选用导热系数更低的炉衬材料，如新型耐火纤维、陶瓷纤维等；或者既在内部设置炉衬，也在炉壁外喷隔热涂料，可明显降低散热损失，提高加热炉热效率。因此，在经济性允许的前提下，增加炉壁热阻，降低炉壁外表温度，是加热炉节能的基本途径，也是广泛应用的节能措施。另外，炉墙密封不好，有气体漏入，也会增加热损失，漏入的空气会增加烟气量，使排烟损失增加。

2.4 合理控制过剩空气量

加热炉运行中，过剩空气量太低，容易导致燃烧不完全；但过剩空气量太高，也会增加烟气量，降低燃烧温度，减少火焰和烟气对炉管的传热量，而且烟气量太大也会增加排烟热损失。过剩空气系数过大或过小都不利于实现高效燃烧，油田加热炉过剩空气系数往往偏大[12-14]，是造成加热炉效率较低的重要原因。对于油田集输系统中的大功率加热炉，应安装助燃风自动调节系统，根据燃烧器出力等参数的变化，自动控制加热炉过剩空气系数，在保证燃烧高效、稳定的条件下，应尽量减少过剩空气量。

2.5 提高加热炉负荷率

在一定范围内，随着负荷率的增大，加热炉热效率呈增大趋势[4]，适当提高加热炉负荷率[14]可以提高加热炉的热效率。具体来说，应综合考虑待处理油品的流量和温升要求，结合现场加热炉的额定功率，整合参数相同的加热任务，尽量保证单台加热炉在较高的负荷率下运行，关停部分加热炉，通过单台加热炉效率的提高和实际运行加热炉台数的减少，实现加热炉的节能降耗。

2.6 提高传热效率

保证了燃烧器的燃烧效率，下一步的关键就是如何把燃烧产生的热量高效地传递给被加热介质。炉内传热涉及多种因素，包括火焰及烟气与炉管的传热、炉管壁面内的热传导以及炉管壁面与被加热介质的传热，如果是热媒式加热炉，还涉及到热媒与被加热介质间的换热。针对传热的各个环节，有多种传热强化技术应用于油田加热炉，以提高炉内的传热效率[15-19]，主要措施有：

1）优化盘管设计，提高对流换热系数；

2）及时清理加热炉炉管结垢，提高炉管传热效率；

3）改善炉内流动特性，增强对流换热；

4）在炉管表面制作陶瓷涂层薄膜，减少结垢，强化传热效果；

5）在炉壁内侧喷涂红外辐射涂料，将辐射热量反射回炉内，提高炉管的辐射吸收率。

3 加热炉节能增效新技术

3.1 MVR低温烟气热回收技术

为了降低排烟温度，常在加热炉上加装空气预热器或增加对流段面积。但是，受加热炉的原设计条件和加热炉型式所限，加热炉排烟温度不能太低。实际上，即使排烟温度达标，由于露点腐蚀及炉型的限制，排烟温度一般仍会大于150℃，明显大于环境温度。因此，根据水汽化潜热大的特点，利用烟气余热产生低压蒸汽，使烟气温度进一步降低。然后将低压蒸汽进行机械压缩，提升蒸汽温度，并采用相变传热换热器对油品进行预加热，这样可以进一步回收利用烟气热量。机械蒸汽再压缩[20-21]（MVR）低温烟气余热回收技术流程见图1。该技术尤其适合于现场废热锅炉产生蒸汽无合适用途的情况。

以1.4MW加热炉为例，对180℃低温烟气进行余热回收利用，可以降低燃料消耗，节能超过8%。需要的主要设备为烟气换热器、蒸汽压缩机和原油预热换热器等，投资回收期小于1.5年。

3.2 火焰形状匹配技术

应用新型燃烧器或高效燃烧技术，基本可以保证燃料的充分燃烧。但对于具体炉膛来说，火焰形状将影响火焰及烟气与炉管的传热效率。火焰形状主要是指火焰的长度、直径等，火焰形状与炉管匹配较好，有助于提高辐射室的传热效率[22-23]。火焰形状不合适，会导致炉管表面热流强度分布不均匀，局部热流强度过大，容易引起管内该部位结焦，缩短清焦周期，也不利于热量传递。使炉管表面热流强度分布均匀，炉管表面最大热流强度也会降低，消除了局部过热，可延缓结焦，从而提高炉管整体取热效率。

要获得火焰形状与炉膛、炉管结构的良好匹配关系，需要针对具体炉膛、炉管结构性进行研究，一般需要用数值模拟软件来计算分析。以某炼油厂裂解炉为例，应用新型燃烧器，调整火焰形状，裂解炉辐射传热效率大幅度提高，加热炉同等加工量的燃料消耗降低了11%[23]。

3.3 纳米流体传热强化技术

传统传热工质（如水、油、醇等）传热效能较低，影响了加热炉、换热器的结构紧凑性和传热效率，在液体中添加高导热系数的固体颗粒可以提高混合物的导热系数，但固体颗粒易沉淀出来。纳米流体是将微量的纳米颗粒（1～100nm），以一定的方式和比例（0.05～0.1体积分数）与基液（水、油或其他液体）混合，形成一种导热系数高、均匀稳定的新型传热工质。通过研究发现，金属、金属氧化物、碳纳米管、石墨等纳米颗粒与水和其他液体所形成的纳米流体传热强化效果非常明显[24-25]，其导热系数可比水提高近10倍，对流换热系数提高3～5倍。将纳米流体传热强化技术用于导热油炉或者水媒加热炉，只需添加纳米粒子及相应的混合器，不需要改变加热炉结构，可显著提高其传热效率。

3.4 太阳能辅助加热技术

近年来，能源形势日益严峻，新能源替代步伐不断加快，太阳能辅助加热锅炉技术发展迅速[26-28]。该技术是指将太阳能集热-蓄热系统作为一个辅助加热环节，与锅炉热力系统结合使用。结合的形式有多种，可以是太阳能与燃煤锅炉结合，也可以是太阳能与燃油锅炉结合。按照需求不同，可以是低温利用，也可以是高温利用。太阳能与常规能源结合利用是新能源利用的一个亮点，太阳能辅助加热炉系统流程见图2。

图1 MVR低温烟气热回收技术

图2 太阳能辅助加热炉系统流程

太阳能中高温热辅助锅炉系统可以产生100～300℃的热水和蒸汽。太阳能与传统锅炉相结合，通过减少锅炉燃料用量来实现节能的目的，节能效果显著[27-28]。采用纳米强化固-液相变（NePCM）蓄热技术[29-30]，同体积设备的蓄热能力比水箱蓄热可提高5～10倍，能使太阳能系统更加紧凑，为油田加热炉的太阳能辅助加热提供了可能。

针对山东力诺集团10t/h燃煤蒸汽锅炉，进行太阳能辅助加热试验，节约燃料8.54%，并减少CO2的排放，具有良好的经济效益和显著的环境效益[28]。考虑到油田燃料（燃油或燃气）价格远高于煤，系统投资回收期小于3年。

4 结论

国家节能减排的要求不断提高，同时低油价给油田生产也带来了巨大的压力，故迫切需要进一步降低油田生产能耗水平。通过一段时间努力，传统的、显而易见的节能措施大多已经付诸实施，要进一步降低油田加热炉能耗水平，必须进行更深入的研究，采用更先进的节能技术，回收低温烟气热量、强化加热炉内部传热以及新能源利用将成为油田加热炉节能降耗的新途径。