油田加热炉运行现状及节能潜力分析

2016-10-25杨秀丽胡晓峰郑炜博樊娜刘晓雷

石油石化节能 2016年9期

关键词：热效率加热炉合格率

杨秀丽胡晓峰郑炜博樊娜刘晓雷

（1.胜利油田技术检测中心；2.鲁胜石油开发有限责任公司）

油田加热炉运行现状及节能潜力分析

杨秀丽1胡晓峰1郑炜博1樊娜1刘晓雷2

（1.胜利油田技术检测中心；2.鲁胜石油开发有限责任公司）

国内多数油田已进入开发后期，高含水原油、稠油、特稠油比例越来越大，原油脱水温度高于轻中质原油，加热系统能耗大，目前90%联合站仍使用加热炉提高脱水温度和外输温度，因此加热炉的运行效果影响了原油集输系统的热能消耗。通过对胜利油田加热炉检测数据的汇总分析，掌握了目前油田加热炉运行现状，分析了影响加热炉运行热效率的各种因素和影响规律，根据各项监测结果找出加热炉运行时存在的主要问题，并提出优化措施，分析了加热炉节能潜力。

加热炉；热效率；热损失；节能

加热炉是将燃料燃烧产生的热量传给被加热介质而使其温度升高的一种加热设备。在油田的油气集输系统中，广泛地使用着各种形式的加热炉，它直接影响油田系统的热能消耗和利用程度，是油气集输系统中的主要耗能设备［1］。据统计，加热炉热能消耗占油气集输系统的80%以上，由于现场使用条件要求，加热炉经常处于变工况下运行，如果操作人员不能根据加热炉工况的改变及时进行调节，就会使得加热炉的运行效率下降，造成燃料的浪费，因此提高加热炉效率，使加热炉长期处于优化运行状态对降低能源消耗具有重要意义。

1　加热炉热损失分析

为通过测试找出加热炉运行时存在的问题，通常采用反平衡法对加热炉进行热工测定。反平衡测量法是通过测定各种燃烧产物热损失和加热炉散热损失来确定效率的方法［2］，当被加热介质带入加热炉的热量从输入到输出过程所产生的能量损失可以忽略时，反平衡法加热炉热效率按式（1）计算：式中:η2——反平衡法加热炉热效率，%；

q2——排烟热损失，%；

q3——气体未完全燃烧热损失，%；

q4——固体未完全燃烧热损失，%；

q5——散热损失，%；

q6——灰渣物理热损失，%。

油田加热炉90%以上为燃油或燃气加热炉，因此公式（1）中的固体未完全燃烧热损失和灰渣物理热损失均为0，公式（1）可以简化为

其中，排烟热损失是加热炉热损失中比例最重的一个，而影响排烟热损失的主要因素是过剩空气系数和排烟温度两个运行指标。按公式（3）进行计算：

式中：α——过剩空气系数；

tpy——排烟温度，℃；t0——环境温度，℃。

散热损失是较排烟热损失之后的又一大热损失，加热炉的散热损失主要取决于加热炉的散热面积、炉体外表面温度情况和运行负荷率，可按下式进行计算：

式中：q1'，q2'，q3'，...qn'——各区段的散热强度，kJ/（m2·h）；

F1，F2，...，Fn——各区段的面积，m2；

Qr——加热炉供给热量，kJ/h。

占加热炉总热损失最小比例的是气体未完全燃烧热损失，主要是由于过小的过剩空气系数造成的，过剩空气过小会使燃料燃烧不充分，可按公式（5）进行计算：

式中：Vgy——排烟处干烟气容积，m3/m3或m3/kg；

B——燃料消耗量，m3/h或kg/h；

CO'——排烟处CO，%；

H2'——排烟处H2，%；

CmHn'——排烟处CmHn，%。

2　加热炉运行现状分析

根据近几年的测试统计，胜利油田各联合站常运行加热炉共195台，平均额定功率为1658 kW，包括116台燃气加热炉和79台燃油加热炉，测试结果见表1。根据SY/T 6275—2007《油田生产系统节能监测规范》中规定的评价指标限定值，测试加热炉平均排烟温度为196.6℃，排烟温度合格率为68.2%，燃气加热炉平均排烟温度低于燃油加热炉平均排烟温度；平均过剩空气系数为2.08，过剩空气系数合格率为56.4%，燃气加热炉平均过剩空气系数高于燃油加热炉平均过剩空气系数；平均热效率为82.63%，热效率合格率为84.1%，燃气加热炉热效率合格率高于燃油加热炉热效率合格率。虽然热效率合格率较高，但平均热效率距国外平均85%～90%的水平仍有差距，而且排烟温度和过剩空气系数的合格率更低。按照SY/T 6275—2007中要求，分别从热效率、排烟温度、过剩空气系数、表面温度4个监测指标分析目前油田加热炉运行现状。

表1　加热炉测试结果汇总

2.1加热炉热效率分析

加热炉热效率是评价加热炉经济运行的重要指标，加热炉热效率的高低直接影响着原油集输系统的热能利用率和综合能耗。从近几年节能监测结果来看，油田加热炉平均热效率比90年代监测的加热炉平均热效率提高至少10个百分点，且已接近于国外平均水平，但离国外先进水平还有一段距离，统计结果见表2。

表2　加热炉热效率

由表2可以看出，25.1%的加热炉热效率低于80%，53.3%的加热炉热效率低于85%，只有6.7%的加热炉热效率达到了国外先进水平。

2.2加热炉过剩空气系数

过剩空气系数是衡量燃烧器性能的重要指标，也是加热炉运行效果的重要监测指标。通过对过剩空气系数进行实时监测可以减少加热炉的排烟热损失和气体未完全燃烧热损失，目前油田加热炉的过剩空气系数从0.96～11.16不等，其中33.3%的加热炉过剩空气系数小于1.5，54.9%的加热炉过剩空气系数小于1.9，仅有9.2%的加热炉过剩空气系数大于3。

图1　过剩空气系数与加热炉热效率的关系

由图1可以看出，过剩空气系数α在1.01～1.5时，热效率达到最佳值。α低于1.01时，随着α的降低，加热炉的运行效率不断降低，且变化较快。α大于1.5时，随着α的增大，加热炉运行效率总的趋势是不断降低的。α每增加0.1，热效率降低约0.5%。而根据统计数据，仅有32.3%的加热炉过剩空气系数在1.0～1.5。

2.3加热炉排烟温度

根据公式（2）可知，排烟温度是影响排烟热损失的另一个因素，而排烟温度的高低又和过剩空气系数密切相关的，只有同时降低加热炉的排烟温度和过剩空气系数，才能使加热炉的效率有较大的提高。根据目前的监测结果，加热炉排烟温度从76.9～434℃之间不等，其中62.1%的加热炉排烟温度低于200℃，20%的加热炉排烟温度高于250℃。过剩空气系数在1.01～1.5时，不同排烟温度的加热炉与热效率之间的关系见图2，从图中可以看出，排烟温度低于200℃的加热炉热效率较高，当加热炉排烟温度高于200℃时，每当排烟温度增加10℃，加热炉热效率降低0.5个百分点。

图2　排烟温度与加热炉热效率的关系

2.4加热炉炉体外表面温度

SY/T 6275—2007中规定加热炉炉体外表面温度不高于50℃均为合格，本次测试的195台加热炉中仅6台加热炉的炉体外表面温度高于50℃，97%的加热炉外表面温度达到标准要求，保温效果良好。

3　加热炉节能潜力分析

在加热炉运行中，燃烧系统和热交换系统的各个因素相互影响，最后综合反映到热效率上。从各项热损失入手，进行系统的分析，可以找出问题的主要矛盾，通过监测各项指标即可分析出影响加热炉热效率的主要环节。各项不合格监测项目存在的主要问题及优化措施见表3，从表中也可以看出控制各项监测项目达到限定值和节能值的节能潜力，由于排烟温度的高低和过剩空气系数密切相关的，降低加热炉的排烟温度的同时过剩空气系数也发生变化，因此加热炉热效率的节能潜力不能简单的认为是各项监测项目达到规定值的节能潜力之和。