王秀莲（大庆油田储运销售分公司）

1 现状及存在问题

油田加热炉是油田生产中主要耗能设备之一[1]，它在我国油气田和长输管道中使用有数万台，在油气生产和输送中，尤其是在我国油田大面积进入高含水期及稠油和天然气的开发期显得更为重要[2]。真空相变加热炉利用相变传热原理，具有很高的管外传热系数，约4000 W/(m2·℃)[3]。运行安全、可靠、节能，并具有体积小、升温快、热效率高、能耗低、节能效果好、自动化程度高等特点[4]。中一站是庆哈输油管道中间加热站，承担原油输送过程中原油加热任务，确保原油顺利的输送。备用相变加热炉在冬季采用传统维温方式，具有能源消耗高、设备磨损大的弊端[5]。

大庆油田庆哈中一站内设有真空相变加热炉2台，运行方式一用一备，备用相变加热炉冬季越冬采用传统的一段火（小火）烘炉方式，这种方式在炉水维温过程中存在燃料油消耗多、工艺操作频繁、减少设备使用寿命等诸多弊端。冬季运行期按180天计，燃料油价格按3000元/t计算，每个冬季的燃料油费用近百万元。真空相变加热炉采用空炉备用方式，因上水需要时间而不能及时进行投用；采用满水位越冬方式，炉内炉水凝固点低，在备用状态下因炉水的凝结，会导致炉体、火筒和烟管的变形、破裂使相变加热炉报废。采取一段火（小火）烘炉保证炉内水的水温，炉水控制不够稳定，波动大，炉体金属部位的形变频繁、易产生应力疲劳等问题，而且操作重复，需要启停炉次数多。当备用炉燃烧器故障时，将导致炉水冻结事故，风险极大，影响生产[6]。

2 加热炉炉水伴热系统节能技术改造

2.1 热负荷计算

换热的原理是冷热两流体间进行的热量传递，是一种属于传热过程的单元操作。备用相变加热炉炉水冬季循环伴热系统主要是利用换热的主要目的之一，将物料加热，以达到或保持生产工艺所要求的温度，液流的换热原理见图1。

图1 液流换热原理

其中所需的热流量计算方法为

式中：Q——热流量，kJ；

C——液流的比热容，kJ/(kg·℃)；

m1——已知待加热的冷流体质量流量，kg；

T1——加热前温度，℃；

T2——要求加热后温度，℃。

此换热过程属于间壁式换热计算，由传热基本方程式得到传热面积：

式中：A——传热面积，m2；

K——传热系数，W/(m2·℃)；

ΔTm——计算平均温差，由加热液流的进出口温度计算，℃。

2.2 节能改造

利用传热学原理的间壁传热理论，通过热负荷计算，确定传热面积，对备用相变加热炉炉水伴热系统进行节能改造，使炉水通过采暖回水被加热，从而达到并保持生产工艺所要求的温度。在备用相变加热炉入口阀门前端与排污阀后端管段之间新建一条曲折管线的联通，并在此联通管线外侧新建一条外套管，利用采暖回水进行连续伴热，利用管道泵使相变炉内炉水循环，防止炉水凝结。根据上述热负荷计算步骤，庆哈中一站内备用相变加热炉在加热前15℃，加热后55℃时的待加热冷流体质量流量为1.8×104kg，所需的热量为3 014.64 GJ，利用5 h将达到预想温度，则热流量为167.48 kW，加热液流（采暖水）的进口温度65℃，出口温度60℃，尽量使流体呈现紊流状态，传热系数2496 W/(m2·℃)时，平均温差23.3℃，得出传热面积2.88 m2，实际换热面积取计算面积的1.15倍，即3.31 m2。

3 技术应用及经济效益分析

2016年9月至目前，在庆哈中一站1#相变加热炉应用此加热炉炉水伴热系统取得良好的效果，炉水水质无任何改变，温度维持稳定。在备用相变加热炉入口阀门前端与相变加热炉排污阀后管段之间新建伴热系统，不影响相变加热炉炉体本身工艺。根据热负荷计算出的换热面积，确定ϕ50×4的曲折管线联通，并在此联通管线外侧新建ϕ273×7，长度为3 m的外套管，并利用采暖回水进行连续伴热，利用管道泵进行相变炉内炉水循环，循环压力为0.09 MPa，炉水水温维持在50～60℃。安装压力表与温度计，监测伴热系统压力与温度参数；安装安全阀，确保压力小于或等于0.1 MPa。通过加热炉炉水伴热系统的节能改造，能够为相变加热炉冬季随时投产和防冻胀的问题提供解决方法；切实减少燃料使用量，降低成本，保证相变加热炉随时投产、安全平稳运行。

此加热炉炉水伴热系统应用后，能够保证在室外温度-30～-20℃时，备用相变炉炉水温度稳定在50～60℃。与传统的小火烘炉越冬方式相比，节省燃料费和设备磨损费，采用小火烘炉保温方式，即使采用更换小火嘴减少燃油消耗的方式，负荷依然为大火时的三分之一。相变加热炉大火时日耗油量为5.2 t/d，那么小火烘炉的日耗油量为1.7 t/d。冬季运行期按180天计算，燃料油价格按3000元/t计算，每个冬季的燃料油费用共计91.8万元。另外，备用相变加热炉燃烧器的燃油泵更换周期为连续运行6个月，火嘴为3个月，则设备年磨损费约1万元/台。采用此系统给采暖系统带来的损耗为4.3万元/a。综上，年节约费用88.5万元/台。

4 结语

1）备用相变加热炉炉水伴热系统根据加热炉自身特点结合采暖工艺实际情况能够解决地处严寒、寒冷地区备用相变加热炉冬季平稳、安全、高效过冬的问题。

2）备用相变加热炉炉水伴热系统具有减少能源浪费和设备磨损，简化操作，减少环境污染，安全可靠等优点，适宜在油田及其他相关领域应用。

3）利用采暖回水来维持相变加热炉炉水温度，能够保证相变加热炉在冬季随时投产，真正起到备用目的，并能产生良好的经济效益和社会效益。

[1]白晓彤.油田加热炉经济运行评价方法与优化[D].大庆：东北石油大学，2016.

[2]王洪杰.真空相变原油加热炉技术在油田联合站的应用[J].石油石化节能，2014（4）：16-18.

[3]刘兴汉.油田相变加热炉换热问题的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[4]苏海鹏.新型相变加热炉的设计及应用[J].石油化工应用，2010，29（12）：93-97.

[5]武喜怀.相变加热炉的应用[J].中国设备工程，2015（6）：60-62.

[6]陈佳琪.李琪.冷德成.真空加热炉技术现状简述[J].化工装备技术，2007，38（2）：14-16.