胡建國

（中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心）

我國油田的原油凝固點普遍較高，黏度大，常溫下流動性差，因此在原油的開采、集輸和處理過程中需要進(jìn)行加熱與保溫，消耗了大量的熱能，提供這些熱能所需的燃料和電能消耗，形成了巨大的生產(chǎn)成本，且占油田總能耗的比例不斷上升。目前原油加熱設(shè)備主要是各類型加熱爐，存在耗能高、排放高、效率低等問題。針對加熱爐各監(jiān)測指標(biāo)超標(biāo)問題，結(jié)合管理和節(jié)能增效技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化加熱系統(tǒng)效率，對降低油田生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。

1 加熱爐爐效低的原因分析

加熱爐監(jiān)測項目主要有：排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表面溫度和熱效率[1]，加熱爐監(jiān)測項目與指標(biāo)要求見表1。

通過對油田大量加熱爐進(jìn)行現(xiàn)場節(jié)能監(jiān)測，對照標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)現(xiàn)造成加熱爐爐效低有以下原因。

1.1 排煙溫度超標(biāo)原因

1）燃燒參數(shù)調(diào)整不合理，配風(fēng)量過大，熱量未充分交換即被帶出爐膛，換熱效率低，排煙溫度過高。

2）爐膛、煙道積灰嚴(yán)重，導(dǎo)致加熱爐受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低，熱量不能及時被傳導(dǎo)，大量熱量隨煙氣排出，排煙溫度升高，加熱爐效率低[2]。

3）加熱爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理或部件傳熱換熱效果差，換熱面積小，熱量未充分交換就進(jìn)入煙道排放。例如測試中有幾臺熱媒爐平均排煙溫度達(dá)到237 ℃，比監(jiān)測指標(biāo)要求不大于180 ℃超出50 ℃以上，相差較大。其主要原因是設(shè)計不合理，設(shè)計的燃燒室小，尾部沒有安裝預(yù)熱器來降低排煙溫度，因此這類加熱爐排煙溫度嚴(yán)重超標(biāo)。

4）加熱爐盤管內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重，影響傳熱系數(shù)和使用壽命。例如某油田區(qū)塊屬于多層系開發(fā)，產(chǎn)出液中SO42-含量達(dá)到1 000～2 900 mg/L，礦化度最高達(dá)到110 g/L，造成盤管結(jié)垢非常嚴(yán)重，某些垢型為鋇鍶垢，很難清除。有轉(zhuǎn)油站雖采取加藥和酸洗等手段，仍存在每年更換1～2 套盤管的問題。部分加熱爐盤管更換時必須解體，縮短了加熱爐的使用壽命。

1.2 空氣系數(shù)超標(biāo)原因

1）燃燒參數(shù)調(diào)整不合理，配風(fēng)量過大，造成空氣系數(shù)過高。測試中多數(shù)空氣系數(shù)超標(biāo)問題屬于這種情況。

2）使用年限過長，維護(hù)不到位造成燃燒器進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)板、煙囪檔板出現(xiàn)銹蝕、損壞或穿孔，防爆門密封不嚴(yán)造成漏風(fēng)等問題，使加熱爐配風(fēng)量無法正常調(diào)節(jié)，燃燒過程中空氣不足，燃燒不充分，污染物排放嚴(yán)重超標(biāo)。

3）部分井口加熱爐因使用自產(chǎn)氣為燃料，燃料量不足，造成加熱爐火焰過小使?fàn)t膛溫度過低，影響空氣系數(shù)。

1.3 爐體外表面溫度超標(biāo)原因

爐體外表面保溫層破損維護(hù)不及時，造成爐體表面散熱過大，指標(biāo)超標(biāo)。且由于缺乏對加熱爐的規(guī)范化、嚴(yán)格化管理，致使加熱爐的襯里出現(xiàn)表面脫落、設(shè)備老化、鋼板腐蝕等現(xiàn)象[3]，導(dǎo)致爐體散熱損失增加。

1.4 熱效率不達(dá)標(biāo)原因

隨著油田持續(xù)開采，產(chǎn)能逐年下降，集輸工藝的簡化，原有加熱爐設(shè)計容量超出現(xiàn)有產(chǎn)能，使加熱爐運(yùn)行熱負(fù)荷偏低，長期處于低效運(yùn)行，能量浪費(fèi)嚴(yán)重，熱效率低。井口加熱爐其燃料以油井自產(chǎn)、伴生氣為主，燃料組分復(fù)雜且變化多，造成加熱爐燃燒狀態(tài)的調(diào)整頻率高，不能保證加熱爐實時處于高效運(yùn)行。部分場站出現(xiàn)多臺加熱爐對同種加熱介質(zhì)進(jìn)行加熱的現(xiàn)象，使加熱爐運(yùn)行熱效率降低。加熱爐爐型落后，設(shè)計效率偏低，燃料利用率不高，應(yīng)用過程中熱效率偏低。加熱爐使用年限較長，部分使用超過30 a，設(shè)備嚴(yán)重老化，導(dǎo)致運(yùn)行效率較低。清淤除垢周期過長，導(dǎo)致傳熱效率下降，熱量不能有效被加熱介質(zhì)吸收。

2 應(yīng)用措施

針對加熱爐使用過程中出現(xiàn)的問題，圍繞管理提效、技術(shù)提效思路，落實“一爐一策”管理，嚴(yán)格推進(jìn)檢測調(diào)整、清淤除垢、技術(shù)更新等措施，對照標(biāo)準(zhǔn)及時調(diào)整優(yōu)化，確保加熱爐高效運(yùn)行。

1） 降低排煙溫度。合理調(diào)節(jié)燃燒器運(yùn)行參數(shù)，利用熱負(fù)荷控制曲線優(yōu)化加熱爐的流量、溫度[4]，安裝排煙溫度表，通過實時監(jiān)測排煙溫度，及時調(diào)節(jié)檔板開度，將排煙溫度控制在合理范圍內(nèi)，讓燃燒更充分，減少熱損失，提高熱效率。對排煙溫度高的加熱爐可采取余熱回收工藝，預(yù)熱空氣和天然氣，對高余溫進(jìn)行再次利用，提高熱效率。加強(qiáng)現(xiàn)場加熱爐的維修保養(yǎng)，及時對加熱爐的爐膛、煙道清灰。對盤管內(nèi)壁結(jié)垢及時使用化學(xué)藥劑或通球除垢。對部分設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理的加熱爐進(jìn)行技術(shù)改造，提高換熱效率，降低排煙溫度。

2） 降低空氣系數(shù)。加強(qiáng)燃燒器的現(xiàn)場維護(hù)，定期清理火嘴，使燃燒器始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。加強(qiáng)現(xiàn)場管理，對銹蝕與損壞的調(diào)節(jié)擋板及時維修。提高現(xiàn)場加熱爐監(jiān)測率，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果合理調(diào)整燃燒器參數(shù)。在條件允許的情況下，安裝自動化程度高、燃燒效率高的燃燒器，安裝能夠?qū)訜釥t燃燒狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控的節(jié)能產(chǎn)品，合理調(diào)節(jié)空氣系數(shù)，一般來說空氣系數(shù)控制應(yīng)保持在1.1~1.3[5]，減少運(yùn)行時出現(xiàn)燃燒空氣不足或過剩現(xiàn)象，保證燃料充分燃燒，提高燃燒效率。

3）降低爐體表面溫度。加強(qiáng)加熱爐爐體保溫的現(xiàn)場維護(hù)，或使用新型保溫材料進(jìn)行保溫。對老化部件及時維修更換，使加熱爐處于良好的使用狀態(tài)。

4）提高熱效率。根據(jù)加熱爐使用情況按需清淤、加密清淤及跟蹤清淤，優(yōu)化加熱爐清淤除垢周期，保證加熱爐安全、高效運(yùn)行。在生產(chǎn)工藝允許的情況下，對站內(nèi)有多臺加熱爐且被加熱介質(zhì)為同一種類型的情況，建議合理減少加熱爐的使用臺數(shù)，以增加熱負(fù)荷提高熱效率。合理搭配加熱爐容量，避免熱負(fù)荷過低的現(xiàn)象出現(xiàn)。推進(jìn)新型節(jié)能高效型加熱爐的應(yīng)用，提升加熱爐的運(yùn)行效率。

3 技術(shù)應(yīng)用

隨著國家節(jié)能減排的要求不斷提高，生產(chǎn)生活方式加快轉(zhuǎn)向低碳化、智能化，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，實施可再生能源替代行動。油田生產(chǎn)主要耗能設(shè)備加熱爐，應(yīng)用新技術(shù)、新能源，提高效率減少排放具有重要意義。

3.1 提高燃燒效率

提高燃燒效率是提高加熱爐運(yùn)行效率的前提。油田原有轉(zhuǎn)油站及井口加熱爐大量采用自然引風(fēng)式燃燒器，結(jié)構(gòu)簡單，燃?xì)庹{(diào)節(jié)及調(diào)風(fēng)控制采用人工手動調(diào)節(jié)閥門控制，不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)空燃比，在點火過程中，燃?xì)饪諝馀浔炔划?dāng)，存在閃爆風(fēng)險。

推薦應(yīng)用一種高效智能燃燒控制技術(shù)：加熱爐爐況優(yōu)化系統(tǒng)，包括高效燃燒器和優(yōu)化監(jiān)控裝置。

加熱爐爐況優(yōu)化系統(tǒng)是針對加熱爐整體爐效提升的一種綜合節(jié)能技術(shù)[6]，可以保證加熱爐高效、安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。對加熱爐的運(yùn)行參數(shù)，比如溫度、壓力、燃料量、配風(fēng)量等進(jìn)行控制，使其達(dá)到各項設(shè)計指標(biāo)。

高效燃燒器可實現(xiàn)以下功能：①燃燒器自動點火、火焰監(jiān)測、熄火保護(hù)及故障顯示等；②燃?xì)鈮毫z測，助燃空氣溫度自動補(bǔ)償；③燃燒工況自動調(diào)節(jié)；④在線動態(tài)檢測各執(zhí)行單元（安全檢測）；⑤實時監(jiān)控加熱爐運(yùn)行參數(shù)，可實現(xiàn)對加熱爐正平衡效率即時計算、實時顯示的目的；⑥通過加裝風(fēng)門微調(diào)、燃料微調(diào)及氧含量傳感器，煙溫傳感器和環(huán)境溫度檢測裝置等爐況優(yōu)化自控裝置，進(jìn)行單臺加熱爐燃燒配比，實現(xiàn)直觀顯示及合理優(yōu)化控制，達(dá)到節(jié)能、降耗、減排的作用。

爐況優(yōu)化監(jiān)控裝置，可實時檢測氧含量，解決燃燒器高耗能、易損壞問題，保證其穩(wěn)定高效安全運(yùn)行。具備爐效監(jiān)測系統(tǒng)，可對加熱爐爐效進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生超負(fù)荷、低爐效以及罐內(nèi)結(jié)淤、結(jié)垢嚴(yán)重等狀況時，系統(tǒng)可自動報警；實時監(jiān)測加熱爐用氣量，并配有氧含量、排煙溫度及燃?xì)饬髁康榷鄥?shù)的串級聯(lián)動，控制空燃比系統(tǒng)，最大限度降低站場天然氣消耗。

大慶油田薩北開發(fā)區(qū)作為油田加熱爐提效工程示范區(qū)，率先開展以監(jiān)測爐況優(yōu)化實際運(yùn)行效果為目的的先導(dǎo)試驗，經(jīng)過節(jié)能監(jiān)測確認(rèn)，安裝爐況優(yōu)化監(jiān)控裝置系統(tǒng)后，可實現(xiàn)加熱爐熱效率上升3～5個百分點，平均節(jié)能率達(dá)到5%以上，投資回收期約2.5 a。爐況優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果見表2。

3.2 提高傳熱效率

提高能量利用率就需要把燃燒產(chǎn)生的熱量高效地傳遞給被加熱介質(zhì)。由于采出液成分復(fù)雜，加熱爐長時間運(yùn)行頻繁出現(xiàn)結(jié)垢嚴(yán)重的問題，造成加熱能力不足，熱效率低，給生產(chǎn)管理和節(jié)能降耗帶來了很大的難度。

遠(yuǎn)紅外耐高溫輻射節(jié)能涂料能有效提高加熱爐傳熱效率，采用納米技術(shù)，對黑度較高和高輻射的紅外發(fā)射材料組份進(jìn)行超細(xì)化技術(shù)處理，不僅提高受熱體抗腐能力，而且提高了吸收率和發(fā)射率，同時反復(fù)多次吸收釋放輻射熱能，抗沖刷性能良好，高溫下能很好的保護(hù)爐襯表面，使其保持表面平整、光滑，改善爐內(nèi)熱交換環(huán)境，提高爐膛內(nèi)溫度場強(qiáng)度和均勻性；減少受熱面平均灰垢厚度，降低結(jié)焦強(qiáng)度，爐內(nèi)受熱面輻射和傳導(dǎo)熱量增加，降低排煙溫度，使燃料燃燒更充分，減少能耗，節(jié)約能源和延長爐體內(nèi)襯使用年限， 提高了能源利用率， 達(dá)到高效節(jié)能[7]。

通過隨機(jī)抽測其中6 臺，熱效率提升達(dá)到5%左右，燃?xì)夤?jié)能率均達(dá)到7%以上，投資回收期約75 d， 有效應(yīng)用2 a，為油田加熱爐提效技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。遠(yuǎn)紅外耐高溫輻射節(jié)能涂料應(yīng)用結(jié)果見表3。

表3 遠(yuǎn)紅外耐高溫輻射節(jié)能涂料應(yīng)用結(jié)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

加熱爐是原油加熱的核心設(shè)備，選擇安全高效的加熱爐，可以有效提高燃料利用率，減少污染物排放。

高效冷凝式常壓水套加熱爐是一種高效節(jié)能加熱爐產(chǎn)品，運(yùn)行效果好，具有熱效率高、排煙溫度低、節(jié)約燃燒消耗和降低設(shè)備金屬耗量等優(yōu)點，且具備一定程度的煙氣凈化作用[8]，節(jié)能減排。

此類加熱爐采用高效煙管強(qiáng)化對流換熱，換熱效率是普通煙管的3～5 倍，且體積小、耐腐蝕。其煙箱獨(dú)特的布置，增大了與爐體中被加熱介質(zhì)的接觸面積，進(jìn)而降低了排煙溫度，增大了熱效率。高效冷凝式常壓水套加熱爐組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高效冷凝式常壓水套加熱爐組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of heating furnace with high efficiency condensing constant pressure water sleeve

高效冷凝式常壓水套加熱爐具有運(yùn)行狀態(tài)在線檢測上傳、自動控制、事故狀態(tài)自停車功能，操作簡單、運(yùn)行安全，可有效解決油田專用高效加熱爐普遍存在的熱效率偏低、受露點溫度限制排煙溫度高、煙氣中的能量和水蒸氣的潛熱不能被有效利用等問題，節(jié)約燃料及成本，技術(shù)性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

長慶油田應(yīng)用此類加熱爐節(jié)能效果明顯，在新建產(chǎn)能項目中得到推廣應(yīng)用。經(jīng)測試，實際應(yīng)用熱效率可達(dá)90%左右，與目前現(xiàn)用高效加熱爐相比，降低排煙溫度80 ℃左右，熱效率高出8 個百分點。高效冷凝式常壓水套加熱爐應(yīng)用結(jié)果見表4。

3.4 利用新能源

新能源替代步伐不斷加快，經(jīng)過多年的發(fā)展，光熱技術(shù)相對成熟，油田企業(yè)應(yīng)做好對新能源的開發(fā)和利用工作[9]。把太陽能熱利用技術(shù)與原油加熱相結(jié)合，有效利用太陽能，減少不可再生能源的消耗，是降低開采成本，實現(xiàn)油田企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項重要舉措[10]。尤其是邊遠(yuǎn)礦區(qū)井口加熱爐，其燃料以油井自產(chǎn)伴生氣為主，存在燃料組分復(fù)雜變化大，燃料量不足等問題，造成加熱爐燃燒狀態(tài)不佳，加熱效果很差。推薦應(yīng)用太陽能自控加熱裝置。

太陽能自控加熱裝置通過超導(dǎo)真空集熱器將太陽能能轉(zhuǎn)換為熱能。太陽光透過真空玻璃管，照射在真空管內(nèi)的吸熱翅片上，吸熱翅片上的吸收膜將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，通過導(dǎo)熱銅帶傳遞至內(nèi)置熱管，連續(xù)吸收太陽輻射能，通過高效換熱器為原油提供熱能。太陽能自控加熱裝置見圖2。

太陽能自控加熱裝置采用溫差自動控制，使管殼式超導(dǎo)換熱裝置的出口液溫始終保持恒定的溫度。系統(tǒng)以液體（速熱防凍防沸高效傳熱復(fù)合介質(zhì)）作為傳熱介質(zhì)。在太陽光照富余時，可以啟動循環(huán)泵將多余熱量儲存在儲熱箱內(nèi)，在光照度較弱時供熱，延長光熱利用時間。當(dāng)光熱能量不足時，工作站內(nèi)自控裝置自動啟動輔助加熱裝置電加熱或加熱爐加熱，滿足原油加熱溫度需求。

青海油田某井場40 m3單井罐原來利用天然氣火筒加熱爐加熱，每日工作8 h，每日消耗天然氣240 m3。采用太陽能+電輔助加熱后，天氣晴朗時太陽能即可滿足加熱要求，陰雨天能滿足40%，年綜合節(jié)能55%左右，投資回收期約3 a。隨著儲能技術(shù)進(jìn)步，可降低輔助能耗，提升光熱替代率[11]。

4 結(jié)論

隨著國家低碳環(huán)保要求日益嚴(yán)格，對能源利用率提出了更高的要求。對于油田加熱爐能效偏低，要不斷在管理提效、新技術(shù)新工藝應(yīng)用上做更多工作。

從加熱爐節(jié)能監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求來分析問題，找出主要影響因素，現(xiàn)場采取相應(yīng)的節(jié)能改進(jìn)措施。高效智能燃燒控制技術(shù)用于加熱爐智能化改造或燃燒器無法自動調(diào)節(jié)配風(fēng)的加熱爐，可實現(xiàn)在線監(jiān)控，自動調(diào)節(jié)，提高加熱爐燃燒效率。遠(yuǎn)紅外耐高溫輻射節(jié)能涂料適用于各種加熱介質(zhì)，尤其是礦化度高的原油加熱，能有效減少受熱面上積灰、結(jié)垢和腐蝕，提高傳熱效率。高效冷凝式常壓水套加熱爐適用于排煙溫度嚴(yán)重超標(biāo)的加熱爐改造及冷凝水需要收集的場所，回收煙氣中水蒸汽的汽化潛熱，降低排煙溫度。太陽能加熱原油的應(yīng)用證明了油田生產(chǎn)光熱替代的可行性。發(fā)展新能源是油田實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的需要。我國油田一般都具有太陽能和閑置土地等資源優(yōu)勢，各大油田已經(jīng)開始建設(shè)光熱+（燃?xì)狻㈦娸o熱等）示范工程，積累經(jīng)驗?？梢赃M(jìn)一步研究脫水站、集中處理站內(nèi)脫水爐、摻水爐和外輸爐等加熱設(shè)備利用太陽能，減少一次能源使用，實現(xiàn)清潔替代、戰(zhàn)略接替和綠色轉(zhuǎn)型。