王洪杰（遼河油田公司質(zhì)量節(jié)能管理部）

遼河油田興隆臺采油廠目前已開發(fā)四十年，是遼河油田唯一一家稀油采油廠，處于油田勘探開發(fā)中后期，由于地域廣泛，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開采和穩(wěn)產(chǎn)難度不斷加大，該廠負責周邊地區(qū)天然氣外供工作，隨著地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，供求關(guān)系日益緊張。已經(jīng)運行二、三十年、安全系數(shù)較低的管式加熱爐和老式水套爐占聯(lián)合站全部運行燃氣加熱爐的三分之二，這些加熱爐年消耗天然氣達到550×104m3以上，且有遞增趨勢，因此引進先進節(jié)能技術(shù)降低消耗，并在一定程度上緩解外供天然氣緊張的矛盾，提高安全性能勢在必行。

1 真空相變原油加熱爐的工作原理

真空相變原油加熱爐的基本原理是：燃燒器將燃氣充分燃燒，通過輻射、對流傳導(dǎo)將熱量傳遞給爐殼內(nèi)的中間介質(zhì)水；水受熱沸騰產(chǎn)生蒸汽，蒸汽與低溫的換熱器管壁換熱，冷凝成水，并將熱量傳遞給換熱器內(nèi)流動的介質(zhì)原油；凝結(jié)后的水繼續(xù)被加熱汽化，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)加熱爐的換熱[1]（圖1）。相變原油加熱爐利用水的相變傳熱技術(shù)，中間傳熱介質(zhì)水在封閉狀態(tài)下運行極少損失，不需經(jīng)常添加，這樣系統(tǒng)在無氧無垢狀態(tài)運行（不在爐內(nèi)形成垢層、避免氧腐蝕），提高了加熱爐的使用壽命。

真空相變加熱爐主要由爐體、全自動燃燒器、自動控制系統(tǒng)和控制箱等構(gòu)成[2]。

爐體為兩回程濕背式結(jié)構(gòu)，燃料自燃燒器向前噴入爐膽，在爐膽內(nèi)正壓燃燒；高溫煙氣在爐膽內(nèi)轉(zhuǎn)向，再進入第二回程煙管（管內(nèi)設(shè)置不銹鋼擾流條）進行充分換熱，最后經(jīng)后煙箱和煙囪排出。燃燒室上部安裝原油換熱器，換熱器與水蒸汽高效換熱。

采用適應(yīng)油氣集輸工作條件的高可靠燃氣全自動燃燒器，采取二段火自動控制，確保設(shè)備的運行可靠性和良好的熱效率。

安裝于爐殼上的鉑熱電阻，將內(nèi)部的熱水溫度信號傳遞到控制系統(tǒng)，與已設(shè)定好的上限溫度、轉(zhuǎn)火溫度、下限溫度相比較，做出判斷，控制燃燒器工作狀態(tài)（如：采用二段火自動燃燒器，設(shè)定爐殼內(nèi)上限溫度90℃，下限溫度80℃，轉(zhuǎn)火溫度85℃）。當爐殼溫度低于85℃時，控制燃燒器開啟大火，當溫度升高到85℃時，控制燃燒器轉(zhuǎn)為小火；當溫度升至90℃時，控制燃燒器停止燃燒；當溫度降至85℃時，開啟小火；若溫度繼續(xù)下滑至80℃時，自動啟動大火。通過對爐殼內(nèi)溫度的動態(tài)控制，保證即使工質(zhì)流量發(fā)生顯著變化，也可使工質(zhì)輸出溫度始終控制在需要的范圍內(nèi)，使得加熱爐能夠通過自動控制適應(yīng)油田開發(fā)中后期經(jīng)常出現(xiàn)的原油外輸波動情況，保證工況穩(wěn)定，實現(xiàn)能耗最低[3]。

2 節(jié)能技術(shù)特性

相變換熱技術(shù)，即將加熱爐殼體內(nèi)封閉空間分為氣化空間和相變空間，通過燃料的燃燒加熱熱媒水產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽上升到相變空間與低于飽和溫度的換熱管接觸，凝結(jié)放出相變熱，即氣化潛熱，熱量通過換熱管傳遞給管內(nèi)被加熱介質(zhì)，蒸汽冷凝放熱后冷凝回氣化空間，如此循環(huán)往復(fù)地將熱量傳遞給換熱管內(nèi)被加熱介質(zhì)。

燃燒室采用波型爐膽、錐形爐膽和回燃室組合件，取代傳統(tǒng)加熱爐的火筒。采用波型爐膽可有效增加受熱面，強化傳熱，提高整個爐膽的柔性，防止爐膽在較高溫度下產(chǎn)生較大的膨脹量破壞結(jié)構(gòu)的完整性。波型爐膽兩端采用錐形爐膽，可以縮小回燃室和加熱爐的整體尺寸，并可以布置足夠換熱面的煙管，一般情況下，加熱爐外徑可減小100～200mm。增加回燃室可以使燃料得到充分的燃燒，從而提高燃料利用率和加熱爐效率。

考慮到煙管和管板連接處的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的作用可能產(chǎn)生的管板裂紋及煙管穿孔，在設(shè)計過程中，結(jié)合燃燒機的火焰長度和直徑曲線圖確定爐膽的結(jié)構(gòu)尺寸，將回燃室煙氣出口溫度控制在1000℃，對煙管和管板連接處的焊縫進行有效的耐火保護，防止出現(xiàn)管板裂紋，可增加加熱爐的使用壽命，同時適當降低進入煙管和管板處的煙氣溫度。

真空相變加熱爐在運行的過程中，爐體的內(nèi)部壓力始終處于-0.02～0.08MPa的真空狀態(tài)下。爐內(nèi)的熱媒水是完全脫氧的純凈水，無腐蝕、無水垢；另一方面，加熱爐在運行過程中，熱媒水始終處于飽和狀態(tài)，不會發(fā)生低溫腐蝕現(xiàn)象，從而使加熱爐壽命相對較長，因此安全性能相對較高，沒有安全隱患。

真空相變加熱爐在設(shè)計中采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡便，設(shè)備體積小，產(chǎn)品易于運輸、安裝，與相同負荷的傳統(tǒng)加熱爐相比，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本類產(chǎn)品.

采用真空相變系統(tǒng)換熱，精心設(shè)計的兩回程燃燒室和優(yōu)化的換熱面設(shè)計，確保了最佳的熱傳遞，熱效率高達88%～92%。采用高智能監(jiān)測控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定溫度及時調(diào)整火焰大小，減少無效加熱能源的浪費。采用全自動燃燒器的二段火自動控制，燃料利用率達99.9%以上；低氮氧化物和低一氧化碳生成量，使煙氣排放潔凈、無污染，優(yōu)質(zhì)的保溫隔熱層保證在寒冷的戶外爐體表面散熱小于1%。

3 安全監(jiān)控

安全監(jiān)控主要設(shè)有自動燃燒器安全控制和系統(tǒng)安全控制兩種機制。

自動燃燒器安全控制：采用可靠的程控器全自動管理燃燒程序，并逐級檢測，合格方可運行下步程序。啟動燃燒器，依次進行鼓風檢測—吹掃可能的殘余燃氣—燃氣壓力檢測—（漏氣檢測，燃燒器功率大于1200kW時）—火焰監(jiān)測。以上任何一環(huán)節(jié)未通過檢測，燃燒器都會立即停機、報警。

系統(tǒng)安全控制：爐殼上裝有液位傳感器和壓力傳感器，當爐殼內(nèi)水位低于下限或高于上限時，報警儀發(fā)出聲光報警，系統(tǒng)自動切斷燃料閥，停止燃燒。如果爐殼內(nèi)壓力意外超壓，真空閥因故障未能及時開啟，系統(tǒng)會發(fā)出報警，同時立即切斷燃燒。

圖1 相變原油加熱爐原理結(jié)構(gòu)圖

4 節(jié)能效果評價

自2008年起，在6個重點聯(lián)合站安裝真空相變原油加熱爐12臺，依據(jù)SY/T6381—1998《加熱爐熱工測定》，對真空相變原油加熱爐的運行情況進行了現(xiàn)場跟蹤測試，并與安裝前的老式加熱爐的運行參數(shù)進行了對比（表1），相變原油加熱爐各項指標都達到預(yù)期的節(jié)能要求。

表1 真空相變加熱爐與管式加熱爐的性能對比

根據(jù)真空相變原油加熱爐的各項參數(shù)，以及采油廠原油油品性質(zhì)特點，參考安裝前老式加熱爐運行參數(shù)，做出平均節(jié)氣率5%、年節(jié)氣量2.1×104m3、節(jié)約27.91t標煤的預(yù)期目標。

1臺原油加熱爐1天耗氣量是1835m3左右，安裝真空相變原油加熱爐后，節(jié)氣率達到5.5%，在其他工況不變的情況下，4臺加熱爐運行一年（365天），節(jié)氣量可達到14.73×104m3，節(jié)能能力為每年195.9t標煤，投資回收期9.9年。

5 結(jié)論

真空相變原油加熱爐技術(shù)在換熱原理、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方面均大大優(yōu)于老式加熱爐，聯(lián)合站加熱爐耗氣量逐年遞減，實現(xiàn)了降低能耗緩解天然氣外供矛盾的目標；先進的自動燃燒控制原理可以在適應(yīng)外輸量波動的同時，通過內(nèi)部調(diào)節(jié)實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的；優(yōu)異的自動燃燒器安全控制、系統(tǒng)安全控制兩種機制，確保加熱爐在風險較高的聯(lián)合站實現(xiàn)安全運行。

如果加熱爐系統(tǒng)效率平均提高1%，全廠每年可節(jié)約天然氣35×104m3以上。面對節(jié)能技術(shù)推廣資金有限、開發(fā)三十多年的老廠集輸系統(tǒng)普遍老化的突出矛盾，通過科學(xué)測算合理安排加熱爐更換地點和次序，以外輸量較大、安全隱患較多設(shè)備的重點部位加熱爐的優(yōu)先改造，帶動采油廠加熱爐系統(tǒng)效率的整體提高。在工藝配套改造中合理利用真空相變原油加熱爐技術(shù)是快速提升加熱爐系統(tǒng)效率的有效途徑，對于開發(fā)中后期油田系統(tǒng)聯(lián)合站加熱爐節(jié)能改造具有較好的推廣價值。

[1]馬強,婁銀環(huán).相變加熱式水蒸氣導(dǎo)入技術(shù)在礦場油氣集輸系統(tǒng)的應(yīng)用[J].節(jié)能,2013,32（5）:55-57．

[2]Q/SYLH0314—2009VH、DH、XG系列真空相變加熱爐操作規(guī)程[S].盤錦:遼河油田公司質(zhì)量節(jié)能管理部出版,2009．

[3]王東.相變加熱爐在礦場油氣集輸系統(tǒng)的低碳化應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能,2013,3（10）:19-20．