定向吸热膜材在真空相变加热炉的应用

汪耀华 乔玖春 杨迪 韩一龙

（1.长庆油田分公司第十一采油厂；2.长庆油田分公司第四采油厂；3.吉林油田分公司吉松质量技术检测有限责任公司；4.吉林省光大节能技术有限责任公司）

在原油生产过程中，对于油井产出液所采用的储存、运输、油水分离、气液分离等工艺，需要产出液或原油保持一定的温度，才能不发生凝结。根据管道原油加热温度的相关标准规定，对油水混合液的加热温度不应超过原油初始沸点，通常要加热至40 ～50 ℃来增加原油（产出混合液）的流动性能。因此，要求加热炉具有对液体处理和连续加热的工作能力。

1 真空相变加热炉现状

在日常的生产过程中，大部分加热炉需要24 h不间断运行，由此消耗大量的能源，所以加热炉系统是油田生产过程中第一大能源消耗体。为了降低能源消耗和减少生产成本，国内各个油田早在20 世纪90年代就已经开始使用真空相变加热炉。

1.1 技术特点及缺陷

真空相变加热炉系统主要由炉体部分和燃烧器等其他辅助设备组成。其工作原理是：燃料燃烧后产生的热量在炉膛内进行热传导，使炉膛吸热体真空胆内处于负压状态的液态介质（水或导热液）吸收热能，在一定的温度条件下产生相变转为蒸汽，再通过换热器传热给被加热介质（油或混合液）。与被加热工质产生热交换后，使得传热介质（水或导热液）因温度的降低而冷凝，并在重力的作用下落回原位，接着再进行加热而转变为蒸汽。如此连续相变循环，传热介质通过蒸发-冷凝的相变过程，将热量传导到被加热工质。当传递热能过程达到一种平衡状态时，可以保持在负压状态低于当地大气压力条件下实现相变[1]。因此，真空相变加热炉与普通加热炉相比，具有能耗低、热效率高、自动化程度高的优势[2]。

但是，经过十几年的油田生产运行表明，真空相变加热炉经过5年以上运行后，其热效率比初装时的原始设计热效率明显要低。主要原因是：真空相变加热炉炉膛内的吸热体表面由于长期运行形成的氧化膜层逐年加重，阻热能力不断加强，影响了真空相变加热炉的热交换水平。

1.2 运行情况

长庆油田第十一采油厂现有各类加热炉334 台，其中真空相变加热炉30 台，占比9%。其平均使用寿命超过7 年，最长使用寿命达到10 年，18 台真空相变加热炉已经生产运行7 年以上（含7年）。依据国家标准GB/T 31453—2015《油田生产系统节能监测规范》和石油行业标准SY/T 6381《石油工业用加热炉热工测定》等标准， 对该厂11 台热效率偏低的真空相变加热炉进行了热工监测。经监测发现，实际平均热效率为83.87%，而平均设计额定热效率为90.34%，比平均设计额定热效率低6.47%；平均排烟温度为191 ℃，其中孟一联1#、镇一联1#和镇二联1#、2#、3#加热炉的排烟温度均超200 ℃，占比45.45%。根据节能监测综合评价，8 台加热炉节能评价不合格，占比72.7%。节能改造前热工测试结果[2-7]见表1。

2 改造效果

2.1 运行情况

对11 台真空相变加热炉进行了原始工况条件下的热效率测试。为了降低排烟温度、提升热效率和节能率，针对11 台加热炉排烟温度、空气系数不达标和热效率低的原因，制定了加热炉提效措施。根据提效措施，在真空相变加热炉吸热体（水冷壁）表面采用了定向吸热膜材技术。经过5个月运行后，对应用此技术的真空相变加热炉进行了热工监测。监测结果表明，11台真空相变加热炉平均排烟温度从191 ℃降至149.1 ℃，下降41.9 ℃；平均排烟处过量空气系数从1.53 降至1.34，下降0.19；平均热效率从83.87%升至88.30%，上升4.43%；平均节能率达到5.24%。节能改造后热工测试结果见表2[2-7]。

2.2 运行效果

为了提升加热炉热效率和加温效率，2019年对11台真空相变加热炉进行了盘管清垢、炉体大修等技术改造10 台次，投入资金120.86 万元，但技改后加热炉热效率和加温效率提升并不明显。2020 年，在真空相变加热炉吸热体表面采用了定向吸热膜材技术后，其排烟温度、剩余空气系数、炉体外表温度、热效率、节能率五项考核技术指标合格率均达到100%，而且仅运行5个月节约天然气459.37 t（标煤），折合人民币45万元。11台真空相变加热炉投入资金为53.35 万元，预计半年内收回成本。改造前后节能量计算结果汇总见表3，吸热节能技术改造前后加热炉吸热体表面形态的对比情况见图1、图2。

表1 节能改造前热工测试结果

表2 节能改造后热工测试结果

图1 吸热节能技术改造前表面形态

图2 吸热节能技术改造后表面形态

3 定向吸热膜材的技术原理及优点

1）定向吸热。在真空相变加热炉炉膛内的受热体（水冷壁）表面诞敷定向吸热膜材，当环境温度达到200 ℃时，形成固化瓷膜。膜层在高温热源的作用下，在吸热体（水冷壁）表面垂直于其切线方向产生的电磁波穿过吸热体表面向被加热介质直接辐射，使被加热介质的每一个分子同时获得能量，提高了被加热介质的热能吸收速率和热能吸收效率，减少了排烟热损失[8]。

2）减少灰垢。由于部分电磁波被折射炉膛，使炉膛的未燃烬的灰垢分子受到多次辐射而产生不规则运动，这就增加了燃料悬浮粒子在炉膛内的停留时间。在烟气流漩涡分离作用下，细微燃料颗粒和飞灰甩回炉内，形成微爆实现二次燃烧，减少了真空相变加热炉的化学热损失和灰垢分子在炉膛内的吸热体表面的吸附力，也减少飞灰逸出量，保护环境[9]。

3）抗磨抗氧化。在真空相变加热炉炉膛内的吸热体表面直接诞敷定向吸热膜材。当环境温度达到200 ℃时，定向吸热膜材形成固化瓷膜，使真空相变加热炉炉膛内的受热体表面实现了全密闭保护，抗燃料和气体冲磨、抗氧化，为设备的安全运行发挥重要的保护作用[10]。

4 效益分析

根据国家发改委提供的相关数据，消耗天然气1 t（标煤）可向大气排放CO2为2.62 t、SO2为8.5 kg、NOx 为7.4 kg。11 台真空相变加热炉运行5 个月，节约天然气459.37 t （标煤），可以减少 向 大 气 排 放CO2为1 204 t、SO2为3 905 kg、NOx 为3 399 kg。所以，在真空相变加热炉炉膛内的吸热体（水冷壁）表面诞敷一种定向吸热膜材，可以减少向大气排放大量的有毒有害物质，净化空气，保护环境，创造非常可观的社会效益。

5 结论

真空相变加热炉在油田生产过程中，经过长期运行，其炉膛内的吸热体表面会形成氧化膜层，阻止热传递和热交换能力，使真空相变加热炉的热效率不同程度地下降而浪费燃料。在真空相变加热炉炉膛内的吸热体表面诞敷一种定向吸热膜材，可以明显提高吸热体表面和被加热介质的吸热能力，提高燃料的燃烧效率，减少排烟热损失和化学不完全燃烧热损失，延长加热炉的使用寿命，降低维修和维护成本，从而实现节能降耗、增效、保护环境的目的。