王春雨

大慶油田第九采油廠工藝研究所

加熱爐在油田油氣集輸中扮演著重要角色，無(wú)論是原油外輸、集油摻水還是油井熱洗等，都離不開(kāi)加熱爐。采油九廠各轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站使用的加熱爐主要以真空爐和四合一（加熱、緩沖、沉降、分離四種功能）為主，燃料為處理后的伴生氣或返輸干氣。在使用過(guò)程中，由于日常管理以及設(shè)備自身因素的影響，出現(xiàn)加熱爐熱效率低，耗氣量大的情況，不僅浪費(fèi)能源，而且對(duì)日常生產(chǎn)管理也會(huì)造成影響。

1 熱效率影響因素分析

加熱爐的熱效率表示向爐子提供的熱量被有效利用的程度，即被加熱介質(zhì)吸收的有效熱量與燃料燃燒放出的總熱量之比[1]。一般情況下采用反平衡法計(jì)算爐效，即通過(guò)測(cè)定各種燃燒產(chǎn)物熱損失和加熱爐散熱損失來(lái)確定熱效率。

熱效率=100%-排煙熱損失（%）-未完全燃燒損失（%）-散熱損失（%）

排煙熱損失=（3.5×空氣系數(shù)+0.5）×（排煙溫度-環(huán)境溫度）/100

未完全燃燒損失=3.2×空氣系數(shù)×排煙處CO（%）

由此可見(jiàn)，影響加熱爐熱效率的主要因素為空氣系數(shù)、排煙溫度、散熱損失。

空氣系數(shù)定義：加熱爐燃燒使用的燃料與空氣混合燃燒時(shí)存在不均勻性，燃料完全燃燒所需實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值為空氣系數(shù)[2]。

式中：α為空氣系數(shù)；VK為實(shí)際燃燒空氣量，m3；V0為理論燃燒空氣量，m3。

在加熱爐的實(shí)際運(yùn)行中，燃料燃燒受熱面的傳熱過(guò)程非常復(fù)雜。空氣系數(shù)的變化對(duì)加熱爐的排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失有很大的影響。排煙熱損失與空氣系數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖1。如圖1 所示，空氣系數(shù)越大，從加熱爐燃燒器風(fēng)門(mén)進(jìn)入的空氣量越多，多余的空氣帶走大量熱量隨煙氣排放至大氣，排煙熱損失就越大。

圖1 排煙熱損失與空氣系數(shù)關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between exhaust heat loss and air coefficient

氣體不完全燃燒熱損失與空氣系數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖2。當(dāng)空氣系數(shù)在1.2～1.77，燃料燃燒充分，氣體未完全燃燒熱損失近似為0。當(dāng)空氣系數(shù)大于1.77時(shí)，未完全燃燒熱損失逐漸增大。主要原因：一方面是空氣系數(shù)增大，進(jìn)入火管內(nèi)的空氣增多，火管溫度下降導(dǎo)致CO 不能完全燃燒；另一方面由于空氣系數(shù)的增大，煙氣在火管內(nèi)的流速加快，燃料在火管內(nèi)未能充分燃燒就被排出，致使未完全燃燒熱損失增大。當(dāng)空氣系數(shù)小于1.2 時(shí)，隨著空氣系數(shù)的減少，燃料燃燒所需空氣量不足，燃料無(wú)法充分燃燒造成了未完全燃燒熱損失增加[3]。

圖2 氣體未完全燃燒熱損失與空氣系數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between gas incomplete combustion heat loss and air coefficient

通?？諝庀禂?shù)取1.05～1.15，當(dāng)空氣系數(shù)＜1.16時(shí)，排煙損失隨空氣系數(shù)降低而降低，未完全燃燒熱損失則隨著空氣系數(shù)降低而升高，總體熱效率呈下降的趨勢(shì)。而當(dāng)空氣系數(shù)＞1.16 時(shí)，空氣系數(shù)增加會(huì)使熱效率降低[4]。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采油九廠2021 年第四季度對(duì)全廠9 個(gè)作業(yè)區(qū)共93 臺(tái)加熱爐進(jìn)行了爐效測(cè)試，共有18 臺(tái)加熱爐爐效不合格，包括9 臺(tái)四合一、9 臺(tái)真空爐。根據(jù)便攜式爐效測(cè)試儀測(cè)出的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，爐效不合格的加熱爐有以下5 種情況：

（1）火管表面結(jié)垢嚴(yán)重未及時(shí)清理造成的熱效率過(guò)低。以A 轉(zhuǎn)油站2#四合一為例，該四合一使用年限超過(guò)10 年，雖然每年進(jìn)行清淤，但是從未進(jìn)行過(guò)除垢作業(yè)，爐效測(cè)試數(shù)據(jù)中煙氣里的CO 含量為0，空氣系數(shù)也在1.05～1.15 間的合理范圍內(nèi)，而排煙溫度超過(guò)300 ℃。由于四合一火管直接與被加熱介質(zhì)接觸，被加熱介質(zhì)為油井采出液，其中含原油、地層水、雜質(zhì)等，地層水的礦化度較高，在煙火管的高溫作用下，Ca2+、Mg2+等易在火管表面析出結(jié)垢；同時(shí)采出液中的其他雜質(zhì)也易沉積、粘附在火管表面，火管表面結(jié)垢后導(dǎo)熱系數(shù)降至原來(lái)鋼材導(dǎo)熱系數(shù)的1/10～1/100，熱量不能及時(shí)傳遞給爐內(nèi)介質(zhì)，造成熱效率急劇降低，還可能造成火管局部溫度過(guò)高，出現(xiàn)鼓包，造成安全隱患。結(jié)合該四合一實(shí)際運(yùn)行情況可以判斷，此臺(tái)四合一由于長(zhǎng)時(shí)間加熱含水油，火管表面結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)效率低，大量熱量隨煙氣排出，排煙溫度升高，加熱爐效率低[5]。

（2）燃料氣未能充分燃燒造成熱效率降低。以B 轉(zhuǎn)油站1#四合一為例，由于此臺(tái)四合一煙火管2020 年剛剛更換過(guò)，不存在結(jié)垢嚴(yán)重的情況，但是爐效測(cè)試數(shù)據(jù)中空氣系數(shù)過(guò)低，僅為0.98，同時(shí)煙氣中CO 含量很高，未完全燃燒熱損失達(dá)到了3.4%。此種情況說(shuō)明燃燒器風(fēng)門(mén)開(kāi)度過(guò)小，空氣量明顯不足，燃料氣未能充分燃燒，未完全燃燒熱損失過(guò)大，造成加熱爐熱效率低。

（3）加熱爐附件密封問(wèn)題造成的熱效率降低。以C 轉(zhuǎn)油站1#真空爐為例，爐效測(cè)試數(shù)據(jù)中，空氣系數(shù)為1.1，排煙溫度173 ℃，煙氣中CO 含量為0，說(shuō)明燃燒器風(fēng)門(mén)開(kāi)度合理，燃料氣與空氣的配比沒(méi)有問(wèn)題，也不存在大量的熱量隨煙氣排出的情況。真空加熱爐的加熱原理為：燃料氣通過(guò)燃燒器燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給爐腔內(nèi)的熱媒水，水在負(fù)壓狀態(tài)下被加熱后產(chǎn)生大量高溫蒸汽，高溫蒸汽將熱量傳遞給盤(pán)管中的被加熱介質(zhì)，介質(zhì)吸收熱量后，高溫蒸汽冷凝，形成“蒸發(fā)—冷凝—再蒸發(fā)—再冷凝”的相變換熱方式，大大增加了換熱效率[6]。結(jié)合真空爐的特點(diǎn)，對(duì)該加熱爐實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)該加熱爐防爆門(mén)處腐蝕嚴(yán)重，造成防爆門(mén)密封不嚴(yán)，火管內(nèi)部分高溫?zé)煔鈺?huì)從防爆門(mén)邊緣處排出，從而帶出部分熱量，散熱損失增大，致使?fàn)t效降低[7]。

（4）被加熱介質(zhì)盤(pán)管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重造成熱效率降低。以C 轉(zhuǎn)油站2#真空爐為例，該真空爐爐效測(cè)試數(shù)據(jù)中空氣系數(shù)為1.08，煙氣中CO 含量為0，而排煙溫度卻超過(guò)了300 ℃；不僅如此，該加熱爐為摻水爐，被加熱介質(zhì)為水，易結(jié)垢，且進(jìn)出口壓差達(dá)到了0.2 MPa。結(jié)合該加熱爐5 年內(nèi)未進(jìn)行過(guò)酸洗的實(shí)際情況，可以判定被加熱介質(zhì)盤(pán)管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，雖然燃料氣充分燃燒，但由于盤(pán)管內(nèi)結(jié)垢導(dǎo)致介質(zhì)吸收的有效熱量過(guò)低，大量熱量隨煙氣排出，排煙溫度過(guò)高，加熱爐熱效率降低[8]。

（5）加熱爐熱負(fù)荷率不合格。一般情況下，加熱爐負(fù)荷率的允許操作上限為110%～120%。研究結(jié)果表明：隨著熱負(fù)荷的降低，燃料供給量隨之下降，火管內(nèi)火焰的充滿度降低，輻射效果變差。此外，降低負(fù)荷后爐壁的散熱量相對(duì)增大，散熱損失增加，進(jìn)而導(dǎo)致熱效率下降。若將負(fù)荷提高到設(shè)計(jì)負(fù)荷以上，則需增強(qiáng)火管內(nèi)的輻射強(qiáng)度，提高火管溫度，進(jìn)而引起排煙溫度升高，同樣會(huì)導(dǎo)致?tīng)t效下降[9]。這種因負(fù)荷率引起的爐效不合格分為兩種類型：第一種類型為熱負(fù)荷過(guò)大引起的熱效率降低。如某轉(zhuǎn)油站1#四合一，該轉(zhuǎn)油站建站初期，運(yùn)行1臺(tái)四合一，后期因產(chǎn)能建設(shè)有新井加入，導(dǎo)致站內(nèi)來(lái)液量增大，但日常運(yùn)行中仍啟用1 臺(tái)四合一，觀察燒火間內(nèi)熱負(fù)荷表發(fā)現(xiàn)，由于處理量增大致使四合一加熱爐熱負(fù)荷率超過(guò)了120%，爐效測(cè)試數(shù)據(jù)中排煙溫度更是超過(guò)350 ℃，排煙溫度過(guò)高，產(chǎn)生了過(guò)大的排煙熱損失，加熱爐效率下降。另一種類型正好相反，為熱負(fù)荷過(guò)小引起的熱效率降低。這種類型的加熱爐涉及3 臺(tái)四合一，共同特點(diǎn)為都是負(fù)壓通風(fēng)式加熱爐，在計(jì)算爐效時(shí)發(fā)現(xiàn)3 臺(tái)四合一的熱負(fù)荷率值都低于30%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，了解到3 臺(tái)四合一燃燒器都已使用10 年以上，燃燒器效率低下，出力不足，四合一溫度不上去，被加熱介質(zhì)進(jìn)出口溫差小，所以熱負(fù)荷率過(guò)低，導(dǎo)致加熱爐效率過(guò)低。

3 提高熱效率方法

針對(duì)以上5 種影響加熱爐熱效率因素，采取不同的方法措施，取得了明顯的效果。

（1）對(duì)于四合一火管結(jié)垢影響熱效率的情況，生產(chǎn)運(yùn)行中采取的方法為物理除垢。主要利用高壓水力射流清洗技術(shù)，該技術(shù)原理是以水為介質(zhì)，通過(guò)高壓水泵將一定流量的水提高到某一特定高壓，使它獲得巨大的能量后，經(jīng)管道傳送到噴嘴，由噴嘴把高壓、低流速的水轉(zhuǎn)化成一種高流速及高能量密度的水力射流，正向或切向沖擊被清洗表面，從而將火管外壁的結(jié)垢打掉。經(jīng)過(guò)除垢作業(yè)后，四合一平均熱效率由原來(lái)的78%提高到83%，效果明顯。

（2）對(duì)于火管結(jié)垢不嚴(yán)重或者基本沒(méi)有結(jié)垢的四合一，僅僅因?yàn)槿紵黠L(fēng)門(mén)開(kāi)度不當(dāng)造成未完全燃燒熱損失過(guò)大的情況，可以結(jié)合便攜式爐效測(cè)試儀，觀察測(cè)得的參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)門(mén)開(kāi)度，直至空氣系數(shù)穩(wěn)定在1.05～1.15 之間、煙氣中CO 含量歸零以及排煙溫度不超過(guò)加熱爐額定熱功率對(duì)應(yīng)的排煙溫度限定值，此時(shí)風(fēng)門(mén)開(kāi)度為最佳狀態(tài)，經(jīng)過(guò)調(diào)整后，可有效提高熱效率，加熱爐平均熱效率由原來(lái)的80%提高到83%。

（3）對(duì)于真空爐防爆門(mén)等附件腐蝕、密封不嚴(yán)，致使部分高溫?zé)煔庖绯?，造成散熱損失增大的情況，可以考慮更換、維修相應(yīng)的附件，解決散熱損失過(guò)大的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)加熱爐防爆門(mén)進(jìn)行重新防腐、維修后，解決了防爆門(mén)處密封不嚴(yán)的問(wèn)題，大大降低了散熱損失，此類情況處理后的平均熱效率由原來(lái)的79%提高到84%，效果顯著。

（4）針對(duì)真空爐盤(pán)管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重的情況，一般采用酸洗的方法進(jìn)行除垢，目前應(yīng)用最多的是泵車(chē)酸洗技術(shù)，主要是將酸洗液通過(guò)管線與被加熱介質(zhì)進(jìn)出口處的預(yù)留頭相連，配合潛水泵及盛放酸洗液的容器，將盤(pán)管內(nèi)壁的積垢清洗并帶出到容器內(nèi)，容器內(nèi)的酸洗液經(jīng)過(guò)濾后循環(huán)利用，直至將盤(pán)管清洗干凈。酸洗過(guò)程中需要對(duì)酸洗液進(jìn)行跟蹤化驗(yàn)，判斷酸洗效果，控制酸洗時(shí)間。酸洗結(jié)束后，需要用清水進(jìn)行沖洗，消除殘留酸洗液，避免酸腐蝕[10]。經(jīng)過(guò)酸洗處理后的加熱爐被加熱介質(zhì)進(jìn)出口壓差下降明顯，平均熱效率由原來(lái)的72%提高到76%，效果較為理想。

（5）針對(duì)熱負(fù)荷率過(guò)大或過(guò)小引起加熱爐效率降低的問(wèn)題，解決方法一般分為兩種。對(duì)于加熱爐超過(guò)額定熱負(fù)荷100%以上的情況，采用優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行的方法，在保證正常的生產(chǎn)運(yùn)行需求前提下，適當(dāng)降低出口溫度，減小被加熱介質(zhì)進(jìn)出口溫差，降低熱負(fù)荷率或通過(guò)啟用兩臺(tái)設(shè)備分擔(dān)處理液量，減小單臺(tái)設(shè)備的處理量，從而降低熱負(fù)荷率。優(yōu)化后，單臺(tái)四合一熱負(fù)荷率可以降至80%左右，爐效由原來(lái)的75%提高到82%。

對(duì)于加熱爐熱負(fù)荷過(guò)低導(dǎo)致?tīng)t效降低的情況，直接更換多功能一體化燃燒器并配套爐況優(yōu)化功能模塊，改善燃燒器出力情況，提高爐效。爐況優(yōu)化功能包括：①實(shí)時(shí)檢測(cè)排煙溫度、氧含量、進(jìn)風(fēng)溫度（環(huán)境溫度）、爐膛壓力、燃料流量等工況參數(shù)；②實(shí)時(shí)在線計(jì)算加熱爐運(yùn)行負(fù)荷；③實(shí)時(shí)在線計(jì)算加熱爐運(yùn)行效率（反平衡）；④煙氣氧含量與風(fēng)微調(diào)器實(shí)時(shí)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)燃燒器進(jìn)風(fēng)量的精細(xì)化調(diào)節(jié)，使煙氣氧含量控制在合理范圍內(nèi)；⑤爐膛負(fù)壓與煙道擋板聯(lián)鎖調(diào)節(jié)，根據(jù)檢測(cè)到的爐膛壓力（抽力）聯(lián)鎖煙道擋板，減少煙氣流速，增加煙氣換熱時(shí)間，提高加熱爐效率。

爐況優(yōu)化模塊（圖3）的主要技術(shù)：燃燒器風(fēng)微調(diào)系統(tǒng)、煙道擋板自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖3 爐況優(yōu)化模塊設(shè)備安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of equipment installation of furnace condition optimization modulet

燃燒器風(fēng)微調(diào)系統(tǒng)：燃燒器一般都設(shè)有主空燃比調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主空燃比控制配比參數(shù)一般在燃燒器調(diào)試完成時(shí)設(shè)定1 次，燃燒器在以后的正常運(yùn)行時(shí)期通常該配比參數(shù)不再改變。當(dāng)加熱爐一些外在環(huán)境如燃?xì)饨M分、燃?xì)鈮毫Α⑼饨顼L(fēng)力改變或加熱爐結(jié)垢煙囪堵塞時(shí)，原來(lái)預(yù)設(shè)的主空燃比調(diào)節(jié)效果會(huì)大大降低。風(fēng)微調(diào)系統(tǒng)是在燃燒器主進(jìn)風(fēng)的基礎(chǔ)上增加的微調(diào)進(jìn)風(fēng)的功能，通過(guò)煙氣中氧含量與微調(diào)風(fēng)的實(shí)時(shí)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)燃燒器的精細(xì)化配風(fēng)，可彌補(bǔ)主空燃比控制精度的不足，可實(shí)現(xiàn)把煙氣中氧含量控制在合理范圍內(nèi)。

煙道擋板自動(dòng)調(diào)節(jié)：自然通風(fēng)式加熱爐（負(fù)壓爐）煙囪處都設(shè)有手動(dòng)的煙道擋板，手動(dòng)的煙道擋板在實(shí)際使用中非常不方便操作，大多數(shù)都是固定在一個(gè)位置不動(dòng)，沒(méi)有起到調(diào)節(jié)的作用，即使靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)也沒(méi)有有效的調(diào)節(jié)依據(jù)。設(shè)計(jì)煙道擋板執(zhí)行器，通過(guò)實(shí)時(shí)的爐膛抽力與煙道擋板執(zhí)行器聯(lián)鎖調(diào)節(jié)，可有效控制爐膛抽力在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，煙道擋板自動(dòng)調(diào)節(jié)功能可增加煙氣換熱時(shí)間，減少煙氣熱損失，提高加熱爐效率。將低效、老化的燃燒器更換為帶有爐況優(yōu)化功能的新燃燒器后，加熱爐熱效率得到大幅度提升，3 臺(tái)四合一平均熱效率由原來(lái)的76%提高到84%。

對(duì)以上5 種爐效不合格的情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采取不同的提高爐效的方法措施，改進(jìn)后所有爐效不合格加熱爐的平均熱效率提高4.6%，預(yù)計(jì)全年累計(jì)節(jié)氣13.3×104m3，節(jié)約天然氣費(fèi)用21.8 萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用便攜式爐效測(cè)試儀定期對(duì)爐效進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)掌握爐效測(cè)試相關(guān)參數(shù)，通過(guò)對(duì)比、分析不同的測(cè)試數(shù)據(jù)，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加熱爐實(shí)際運(yùn)行情況（如加熱爐類型、5 年內(nèi)是否采取過(guò)除垢和酸洗等措施、加熱爐附件是否完好、進(jìn)出口壓差是否過(guò)大、燃燒器是否正常使用等因素），確定影響爐效的具體因素，針對(duì)不同問(wèn)題，采用不同方法，將調(diào)整加熱爐風(fēng)門(mén)開(kāi)度、四合一進(jìn)行除垢作業(yè)、真空爐進(jìn)行酸洗作業(yè)、維修加熱爐附件等管理措施與更換更為高效的全自動(dòng)燃燒器等技術(shù)措施相結(jié)合，以提高爐效，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。