加热炉运行存在的问题及应对措施

胡建国

（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

我国油田的原油凝固点普遍较高，黏度大，常温下流动性差，因此在原油的开采、集输和处理过程中需要进行加热与保温，消耗了大量的热能，提供这些热能所需的燃料和电能消耗，形成了巨大的生产成本，且占油田总能耗的比例不断上升。目前原油加热设备主要是各类型加热炉，存在耗能高、排放高、效率低等问题。针对加热炉各监测指标超标问题，结合管理和节能增效技术应用优化加热系统效率，对降低油田生产成本具有十分重要的意义。

1 加热炉炉效低的原因分析

加热炉监测项目主要有：排烟温度、空气系数、炉体外表面温度和热效率[1]，加热炉监测项目与指标要求见表1。

通过对油田大量加热炉进行现场节能监测，对照标准要求发现造成加热炉炉效低有以下原因。

1.1 排烟温度超标原因

1）燃烧参数调整不合理，配风量过大，热量未充分交换即被带出炉膛，换热效率低，排烟温度过高。

2）炉膛、烟道积灰严重，导致加热炉受热面传热系数降低，热量不能及时被传导，大量热量随烟气排出，排烟温度升高，加热炉效率低[2]。

3）加热炉内部结构不合理或部件传热换热效果差，换热面积小，热量未充分交换就进入烟道排放。例如测试中有几台热媒炉平均排烟温度达到237 ℃，比监测指标要求不大于180 ℃超出50 ℃以上，相差较大。其主要原因是设计不合理，设计的燃烧室小，尾部没有安装预热器来降低排烟温度，因此这类加热炉排烟温度严重超标。

4）加热炉盘管内壁结垢严重，影响传热系数和使用寿命。例如某油田区块属于多层系开发，产出液中SO42-含量达到1 000～2 900 mg/L，矿化度最高达到110 g/L，造成盘管结垢非常严重，某些垢型为钡锶垢，很难清除。有转油站虽采取加药和酸洗等手段，仍存在每年更换1～2 套盘管的问题。部分加热炉盘管更换时必须解体，缩短了加热炉的使用寿命。

1.2 空气系数超标原因

1）燃烧参数调整不合理，配风量过大，造成空气系数过高。测试中多数空气系数超标问题属于这种情况。

2）使用年限过长，维护不到位造成燃烧器进风调节板、烟囱档板出现锈蚀、损坏或穿孔，防爆门密封不严造成漏风等问题，使加热炉配风量无法正常调节，燃烧过程中空气不足，燃烧不充分，污染物排放严重超标。

3）部分井口加热炉因使用自产气为燃料，燃料量不足，造成加热炉火焰过小使炉膛温度过低，影响空气系数。

1.3 炉体外表面温度超标原因

炉体外表面保温层破损维护不及时，造成炉体表面散热过大，指标超标。且由于缺乏对加热炉的规范化、严格化管理，致使加热炉的衬里出现表面脱落、设备老化、钢板腐蚀等现象[3]，导致炉体散热损失增加。

1.4 热效率不达标原因

随着油田持续开采，产能逐年下降，集输工艺的简化，原有加热炉设计容量超出现有产能，使加热炉运行热负荷偏低，长期处于低效运行，能量浪费严重，热效率低。井口加热炉其燃料以油井自产、伴生气为主，燃料组分复杂且变化多，造成加热炉燃烧状态的调整频率高，不能保证加热炉实时处于高效运行。部分场站出现多台加热炉对同种加热介质进行加热的现象，使加热炉运行热效率降低。加热炉炉型落后，设计效率偏低，燃料利用率不高，应用过程中热效率偏低。加热炉使用年限较长，部分使用超过30 a，设备严重老化，导致运行效率较低。清淤除垢周期过长，导致传热效率下降，热量不能有效被加热介质吸收。

2 应用措施

针对加热炉使用过程中出现的问题，围绕管理提效、技术提效思路，落实“一炉一策”管理，严格推进检测调整、清淤除垢、技术更新等措施，对照标准及时调整优化，确保加热炉高效运行。

1） 降低排烟温度。合理调节燃烧器运行参数，利用热负荷控制曲线优化加热炉的流量、温度[4]，安装排烟温度表，通过实时监测排烟温度，及时调节档板开度，将排烟温度控制在合理范围内，让燃烧更充分，减少热损失，提高热效率。对排烟温度高的加热炉可采取余热回收工艺，预热空气和天然气，对高余温进行再次利用，提高热效率。加强现场加热炉的维修保养，及时对加热炉的炉膛、烟道清灰。对盘管内壁结垢及时使用化学药剂或通球除垢。对部分设计结构不合理的加热炉进行技术改造，提高换热效率，降低排烟温度。

2） 降低空气系数。加强燃烧器的现场维护，定期清理火嘴，使燃烧器始终处于良好的运行状态。加强现场管理，对锈蚀与损坏的调节挡板及时维修。提高现场加热炉监测率，根据监测结果合理调整燃烧器参数。在条件允许的情况下，安装自动化程度高、燃烧效率高的燃烧器，安装能够对加热炉燃烧状态进行实时监控的节能产品，合理调节空气系数，一般来说空气系数控制应保持在1.1~1.3[5]，减少运行时出现燃烧空气不足或过剩现象，保证燃料充分燃烧，提高燃烧效率。

3）降低炉体表面温度。加强加热炉炉体保温的现场维护，或使用新型保温材料进行保温。对老化部件及时维修更换，使加热炉处于良好的使用状态。

4）提高热效率。根据加热炉使用情况按需清淤、加密清淤及跟踪清淤，优化加热炉清淤除垢周期，保证加热炉安全、高效运行。在生产工艺允许的情况下，对站内有多台加热炉且被加热介质为同一种类型的情况，建议合理减少加热炉的使用台数，以增加热负荷提高热效率。合理搭配加热炉容量，避免热负荷过低的现象出现。推进新型节能高效型加热炉的应用，提升加热炉的运行效率。

3 技术应用

随着国家节能减排的要求不断提高，生产生活方式加快转向低碳化、智能化，坚持生态优先、绿色发展，壮大清洁能源产业，实施可再生能源替代行动。油田生产主要耗能设备加热炉，应用新技术、新能源，提高效率减少排放具有重要意义。

3.1 提高燃烧效率

提高燃烧效率是提高加热炉运行效率的前提。油田原有转油站及井口加热炉大量采用自然引风式燃烧器，结构简单，燃气调节及调风控制采用人工手动调节阀门控制，不能准确调节空燃比，在点火过程中，燃气空气配比不当，存在闪爆风险。

推荐应用一种高效智能燃烧控制技术：加热炉炉况优化系统，包括高效燃烧器和优化监控装置。

加热炉炉况优化系统是针对加热炉整体炉效提升的一种综合节能技术[6]，可以保证加热炉高效、安全可靠运转。对加热炉的运行参数，比如温度、压力、燃料量、配风量等进行控制，使其达到各项设计指标。

高效燃烧器可实现以下功能：①燃烧器自动点火、火焰监测、熄火保护及故障显示等；②燃气压力检测，助燃空气温度自动补偿；③燃烧工况自动调节；④在线动态检测各执行单元（安全检测）；⑤实时监控加热炉运行参数，可实现对加热炉正平衡效率即时计算、实时显示的目的；⑥通过加装风门微调、燃料微调及氧含量传感器，烟温传感器和环境温度检测装置等炉况优化自控装置，进行单台加热炉燃烧配比，实现直观显示及合理优化控制，达到节能、降耗、减排的作用。

炉况优化监控装置，可实时检测氧含量，解决燃烧器高耗能、易损坏问题，保证其稳定高效安全运行。具备炉效监测系统，可对加热炉炉效进行实时监测，当发生超负荷、低炉效以及罐内结淤、结垢严重等状况时，系统可自动报警；实时监测加热炉用气量，并配有氧含量、排烟温度及燃气流量等多参数的串级联动，控制空燃比系统，最大限度降低站场天然气消耗。

大庆油田萨北开发区作为油田加热炉提效工程示范区，率先开展以监测炉况优化实际运行效果为目的的先导试验，经过节能监测确认，安装炉况优化监控装置系统后，可实现加热炉热效率上升3～5个百分点，平均节能率达到5%以上，投资回收期约2.5 a。炉况优化系统应用结果见表2。

3.2 提高传热效率

提高能量利用率就需要把燃烧产生的热量高效地传递给被加热介质。由于采出液成分复杂，加热炉长时间运行频繁出现结垢严重的问题，造成加热能力不足，热效率低，给生产管理和节能降耗带来了很大的难度。

远红外耐高温辐射节能涂料能有效提高加热炉传热效率，采用纳米技术，对黑度较高和高辐射的红外发射材料组份进行超细化技术处理，不仅提高受热体抗腐能力，而且提高了吸收率和发射率，同时反复多次吸收释放辐射热能，抗冲刷性能良好，高温下能很好的保护炉衬表面，使其保持表面平整、光滑，改善炉内热交换环境，提高炉膛内温度场强度和均匀性；减少受热面平均灰垢厚度，降低结焦强度，炉内受热面辐射和传导热量增加，降低排烟温度，使燃料燃烧更充分，减少能耗，节约能源和延长炉体内衬使用年限， 提高了能源利用率， 达到高效节能[7]。

通过随机抽测其中6 台，热效率提升达到5%左右，燃气节能率均达到7%以上，投资回收期约75 d， 有效应用2 a，为油田加热炉提效技术应用提供借鉴。远红外耐高温辐射节能涂料应用结果见表3。

表3 远红外耐高温辐射节能涂料应用结果Tab.3 Application results of far infrared high temperature radiation resistant and energy conservation coatings

3.3 提高燃料利用率

加热炉是原油加热的核心设备，选择安全高效的加热炉，可以有效提高燃料利用率，减少污染物排放。

高效冷凝式常压水套加热炉是一种高效节能加热炉产品，运行效果好，具有热效率高、排烟温度低、节约燃烧消耗和降低设备金属耗量等优点，且具备一定程度的烟气净化作用[8]，节能减排。

此类加热炉采用高效烟管强化对流换热，换热效率是普通烟管的3～5 倍，且体积小、耐腐蚀。其烟箱独特的布置，增大了与炉体中被加热介质的接触面积，进而降低了排烟温度，增大了热效率。高效冷凝式常压水套加热炉组成结构见图1。

图1 高效冷凝式常压水套加热炉组成结构Fig.1 Structure of heating furnace with high efficiency condensing constant pressure water sleeve

高效冷凝式常压水套加热炉具有运行状态在线检测上传、自动控制、事故状态自停车功能，操作简单、运行安全，可有效解决油田专用高效加热炉普遍存在的热效率偏低、受露点温度限制排烟温度高、烟气中的能量和水蒸气的潜热不能被有效利用等问题，节约燃料及成本，技术性能达到国内先进水平。

长庆油田应用此类加热炉节能效果明显，在新建产能项目中得到推广应用。经测试，实际应用热效率可达90%左右，与目前现用高效加热炉相比，降低排烟温度80 ℃左右，热效率高出8 个百分点。高效冷凝式常压水套加热炉应用结果见表4。

3.4 利用新能源

新能源替代步伐不断加快，经过多年的发展，光热技术相对成熟，油田企业应做好对新能源的开发和利用工作[9]。把太阳能热利用技术与原油加热相结合，有效利用太阳能，减少不可再生能源的消耗，是降低开采成本，实现油田企业可持续发展的一项重要举措[10]。尤其是边远矿区井口加热炉，其燃料以油井自产伴生气为主，存在燃料组分复杂变化大，燃料量不足等问题，造成加热炉燃烧状态不佳，加热效果很差。推荐应用太阳能自控加热装置。

太阳能自控加热装置通过超导真空集热器将太阳能能转换为热能。太阳光透过真空玻璃管，照射在真空管内的吸热翅片上，吸热翅片上的吸收膜将太阳辐射能转化为热能，通过导热铜带传递至内置热管，连续吸收太阳辐射能，通过高效换热器为原油提供热能。太阳能自控加热装置见图2。

太阳能自控加热装置采用温差自动控制，使管壳式超导换热装置的出口液温始终保持恒定的温度。系统以液体（速热防冻防沸高效传热复合介质）作为传热介质。在太阳光照富余时，可以启动循环泵将多余热量储存在储热箱内，在光照度较弱时供热，延长光热利用时间。当光热能量不足时，工作站内自控装置自动启动辅助加热装置电加热或加热炉加热，满足原油加热温度需求。

青海油田某井场40 m3单井罐原来利用天然气火筒加热炉加热，每日工作8 h，每日消耗天然气240 m3。采用太阳能+电辅助加热后，天气晴朗时太阳能即可满足加热要求，阴雨天能满足40%，年综合节能55%左右，投资回收期约3 a。随着储能技术进步，可降低辅助能耗，提升光热替代率[11]。

4 结论

随着国家低碳环保要求日益严格，对能源利用率提出了更高的要求。对于油田加热炉能效偏低，要不断在管理提效、新技术新工艺应用上做更多工作。

从加热炉节能监测标准指标要求来分析问题，找出主要影响因素，现场采取相应的节能改进措施。高效智能燃烧控制技术用于加热炉智能化改造或燃烧器无法自动调节配风的加热炉，可实现在线监控，自动调节，提高加热炉燃烧效率。远红外耐高温辐射节能涂料适用于各种加热介质，尤其是矿化度高的原油加热，能有效减少受热面上积灰、结垢和腐蚀，提高传热效率。高效冷凝式常压水套加热炉适用于排烟温度严重超标的加热炉改造及冷凝水需要收集的场所，回收烟气中水蒸汽的汽化潜热，降低排烟温度。太阳能加热原油的应用证明了油田生产光热替代的可行性。发展新能源是油田实现企业转型和可持续发展的需要。我国油田一般都具有太阳能和闲置土地等资源优势，各大油田已经开始建设光热+（燃气、电辅热等）示范工程，积累经验。可以进一步研究脱水站、集中处理站内脱水炉、掺水炉和外输炉等加热设备利用太阳能，减少一次能源使用，实现清洁替代、战略接替和绿色转型。