定向吸热膜材在真空相变加热炉的应用

2021-05-21汪耀华乔玖春杨迪

节能与环保 2021年4期

文_汪耀华乔玖春杨迪

1 中石油长庆油田分公司第十一采油厂 2 中石油长庆油田分公司第四采油厂 3 中石油吉林油田分公司吉松质量技术

油田在原油生产过程中，对油井生产出的液体所采用的储存、运输、油水分离、气液分离等工艺，需要产出液体或原油保持在一定温度，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能力大和连续加热的能力。

1 改造需求说明

在日常的正常生产过程中，大部分加热炉都要常年24h不间断运行，是油田生产过程中第一大能源消耗体。为了降低能源消耗、降低生产成本，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 真空相变加热炉的技术特点

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浪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，蒸汽沸腾，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，因传热介质（水或导热液）产生的蒸汽温度降低而冷凝后，在重力的作用下落回原位，再进行加热而转变为蒸汽。如此连续相变循环，传热介质（水或导热液）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。因此，真空相变加热炉与普通加热炉相比能耗低、热效率高，自动化程度高。

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5a以上运行后（清灰除垢以后），热效率也会比初装时的原始设计热效率明显降低。其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 真空相变加热炉的运行现状

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%；平均使用寿命达到7a以上，最长使用达到10a，18台真空相变加热炉已经生产运行7a以上（含7年）。依据《油田生产系统节能监测规范》和《石油工业用加热炉热工测定》等标准，对我厂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，实际平均热效率为83.87%，而平均设计额定热效率90.34%，比平均设计额定热效率低6.47%；平均排烟温度191℃，其中孟一联1#、镇二联和镇二联等7台加热炉排烟温度均超200℃，占比63.6%；经节能监测综合评价8台加热炉节能评价不合格，占比72.7%。

2 改造实施后效果

2.1 节能改造后的运行情况

11台真空相变加热炉进行原始工况条件下的热效率测试后，为降低排烟温度，提升热效率和节能率，我们编制了加热炉提效措施，根据提效措施针对真空相变加热炉采取了吸热体（水冷壁）表面诞敷定向吸热膜材技术措施。经过5个月运行后，对应用吸热体（水冷壁）表面诞敷定向吸热膜材技术的真空相变加热炉使用情况进行了热工监测。经监测，11台真空相变加热炉平均排烟温度从191℃降至149.1℃，下降了41.9℃；平均排烟处过量空气系数从1.53降至1.34，下降了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%。

2.2 节能改造后的效果

2019年为提升加热炉热效率和加温效率，对11台真空相变加热炉进行了盘管清垢，炉体大修改造等技改造10台次，投入资金120.86万元，经技改后，加热炉热效率和加温效率提升不明显。经过2020年对真空相变加热炉采用在吸热体表面诞敷定向吸热膜材技术后，排烟温度、剩余空气系数、炉体外表温度、热效率、节能率等五项考核技术指标合格率均达到100%，而且仅运行5个月节约天然气折合标准煤459.37t，折合人民币45万元，11台真空相变加热炉投入资金53.35万元，预计投入资金半年内收回成本，详细的对比测试数据见节能量计算结果汇总(表1)。

表1 节能量计算结果汇总表

3 定向吸热膜材的节能技术原理

3.1 定向吸热，提高热能吸收效率

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（水冷壁）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。