中国石化胜利油田分公司现河采油厂

油管清洗设备使用较为广泛的是直燃式清洗机，而清洗质量一直是关注的重点，其核心就是燃烧系统热效率问题。以胜利油田现河采油厂某油管厂为例，使用的油管清洗设备是天然气直燃式加热水清洗机，配套4台引风式燃烧器，烟气分析仪测试其反平衡热效率仅为44.8%，将水加热到工作温度至少需要4～5 h，油管清洗燃气的单耗为1 172 m3/104m，能耗为1 445 kg/d（标煤），严重影响了油管清洗效率、质量和经济效益。因此，需要改进清洗机燃烧系统，在保证达到额定参数、着火稳定、燃烧安全的前提下提高热效率，缩短升温时间，降低燃气消耗，减少污染物排放，保护环境。

目前改善燃烧状况最直接的方法就是使用烟气分析仪连续监测烟道气体成分（CO、NO、NO2、NOx、SO2），分析各项热损失（包括化学不完全燃烧热损失、排烟热损失、机械不完全燃烧热损失、散热损失），得到影响热效率的各种因素[1]。为此，利用正交试验法对各影响因素进行组合简化试验，通过合理的试验次数分析各因素及其交互作用对燃烧热效率的影响，并按其重要程度找出主次关系，提出改进的有效途径，并确定最佳的运行参数[2]。

1 正交试验法

正交试验法就是应用正交表合理安排多因素试验方案并科学分析试验数据的一种数学方法[3]，即在试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果进行分析，寻求最优水平组合，确定最佳生产条件。

正交试验法的设计步骤如下[4]：

（1）明确试验目的，选定试验指标。试验要解决什么问题，必须有一个明确目的，这是正交试验设计的基础。目的确定后，对试验结果如何衡量即需要确定出试验指标，包括定量指标和定性指标两种：定量指标是直接用数量表示的指标，如输出、效率、强度等；定性指标是不能直接量化指标，如颜色、手感、外观特征等表示试验结果特性的值。

（2）挑选因素水平。影响试验指标的因素往往很多，但由于试验条件有限，不可能全面考察。根据试验目的，选出主要因素，略去次要因素，以减少要考察的因素数，一般以3～7 个因素为宜。若第一轮试验后达不到预期目的，可在第一轮试验的基础上，调整试验因素，再进行试验。确定因素水平数时，一般重要因素可多取一些水平，各水平的数值应当拉开，尽可能取在理想区域，以便对试验结果进行分析，最后列出因素水平表。

（3）选用适当正交表，做表头设计。选择正交表是正交试验设计的首要问题，根据实际需要选择，可选规则表，也可选混合水平表。一般情况下，试验因素的水平数应等于正交表中的水平数，因素数应小于或等于正交表列数，各因素及交互作用的自由度之和要小于所选的正交表的总自由度，以便估计试验误差。表头设计就是把试验因素和要考察的交互作用分别安排到正交表的各个列中：若不考虑交互作用时，各因素可随机安排；若考虑交互作用，就应按所选正交表的交互作用列表安排各因素和交互作用，防止设计“混杂”。

（4）明确试验方案，得到试验结果。根据正交表和表头设计确定每个试验号试验的方案计划，然后进行试验，得到以试验指标形式表示的试验结果。

（5）试验结果统计分析。对正交试验结果分析通常采用两种方法：一种是直观分析法（或称极差分析法），另一种是方差分析法。通过试验结果分析可以得到因素主次顺序、优化方案等有用信息。

（6）验证试验，进一步分析。最佳的解决方案是通过统计分析得出的，还需要进行试验验证，以保证优化方案是符合实际的，否则还需要进行新的正交试验。

2 油管清洗机燃烧系统改进试验

2.1 方案设计

实际使用的油管清洗机额定功率为800 kW，热效率限定值应不低于75%[5]，因此将燃烧热效率改进试验目标值确定为75%。对于天然气直燃式清洗机而言，燃气热损耗包括排烟热损失、气体不完全燃烧热损失及散热损失[6]。其中排烟热损失取决于过剩空气系数和排烟温度的大小，气体不完全燃烧热损失取决于过剩空气系数和烟气中CO 的含量，散热损失是指设备向四周环境散失的热量占总输入热量的百分比。故正交试验方案选取的敏感因素为排烟温度、CO 浓度、过剩空气系数（O2体积分数）及环境温度。

2.2 初次正交试验

由于清洗机配套引风式燃烧器，属于负压燃烧，不易实现完全燃烧[7]，排烟热损失大。利用烟气分析仪测试反平衡热效率仅为44.8%。因此，初次正交试验选取3 个敏感因素（排烟温度、CO 浓度、过剩空气系数），每个因素2 个水平，设计L4(23)正交试验因素水平表（表1），通过试验分析各因素及其交互作用对燃烧热效率的影响。

表1 引风式燃烧热效率L4(23)正交试验因素水平Tab.1 L4(23)orthogonal test factor level for thermal efficiency of induced air combustion

利用直观分析法（表2），根据试验结果做出极差R分类柱状图，可知各因素对燃烧热效率的敏感性由大到小顺序依次为：排烟温度、CO 浓度、过剩空气系数，其中排烟温度和CO 浓度影响两者相近（图1）。由此可知，排烟热损失及气体不完全燃烧热损失是导致油管清洗机燃烧热效率低的主要原因。

表2 引风式燃烧热效率L4(23)正交试验直观分析Tab.2 Visual analysis of L4(23)orthogonal test for thermal efficiency of induced air combustion

图1 L4(23)正交试验极差R 分类柱状图Fig.1 Column chart for range R classification of L4(23)orthogonal test

2.3 燃烧器更换试验

为了解决负压燃烧热效率低的问题，将引风式燃烧器更换为鼓风式燃烧器，采用微正压燃烧方式，提高燃烧强度和换热强度，进而提升燃烧热效率[8-9]。更换燃烧器后，选取5个敏感因素（O2体积分数、CO 浓度、排烟温度、环境温度、过剩空气系数），每个因素4个水平，设计L16(45)正交试验方案（表3），应用烟气分析仪逐一测试，寻找显著影响因素，确定最佳燃烧条件。

表3 鼓风式燃烧热效率L16(45)正交试验因素水平Tab.3 L16(45)orthogonal test factor level for thermal efficiency of blast combustion

利用直观分析法，确定各因素对燃烧热效率的敏感性大小和各因素的最优组合（表4）。根据极差值R大小，各因素对燃烧热效率的敏感性由大到小顺序依次为：过剩空气系数、排烟温度、CO浓度、O2体积分数、环境温度。根据各因素不同水平的均值K可看出最佳燃烧条件参数组合为：O2体积分数8.3%，CO 浓度3.75 mg/L，排烟温度292 ℃，过剩空气系数1.55。对该最优组合参数进行模拟计算，预测燃烧热效率为81.5%。

表4 鼓风式燃烧热效率L16(45)正交试验直观分析Tab.4 Visual analysis of L16(45)orthogonal test for thermal efficiency of blast combustion

利用方差分析法（数理统计F检验法），判断各因素对燃烧热效率影响的显著程度和可信程度，可知过剩空气系数对燃烧热效率的影响最为显著，环境温度影响最弱（表5）。

根据上述L16(45)正交试验分析结果，在燃烧器鼓风机上安装了风门调节装置，再根据最佳过剩空气系数值，调节助燃空气量，减少烟气中过量空气带走的热量损失。

2.4 温度控制系统调整

燃烧器更换后，由于热效率的提升，在满足清洗机运行工况的条件下：①将温度控制系统阈值由85～100 ℃调整为90～95 ℃，提高控制精度；②将燃烧器的启停控制由原先的自动控制2台、手动控制2 台改为自动控制3 台、手动控制1 台，进一步降低燃气消耗量。

表5 鼓风式燃烧热效率L16(45)正交试验方差分析Tab.5 Variance analysis of L16(45)orthogonal test for thermal efficiency of blast combustion

3 实施效果

油管清洗机燃烧系统改进后，烟气分析仪监测数据显示，4 台燃烧器平均反平衡热效率达到75.6%，对比之前提高了30.8%。其中，1#燃烧器反平衡热效率75.2%，2#燃烧器反平衡热效率73.6%，3#燃烧器反平衡热效率73.7%，4#燃烧器反平衡热效率81.6% 。油管清洗燃气单耗由1 172 m3/104m 下降到428 m3/104m，降幅63.5%；能耗由1 445 kg/d（标煤）下降到560 kg/d（标煤），减少885 kg/d（标煤）。

4 结论

影响油管清洗设备热效率的因素较多，且相互间存在交互作用，因此需要寻找一条有效途径，简单快捷地排查出主要影响因素，制定改进措施，减少燃烧热损失。针对目前广泛使用的天然气直燃式加热水油管清洗机，利用烟气分析仪测试相关数据，引入正交试验法设置试验因素和水平，确定试验方案，为燃烧系统优化调整提供了一种有效手段。利用正交试验对引风式燃烧器进行了评价，通过试验结果发现，影响其热效率的主要因素为化学不完全燃烧。为了改善燃烧效果，将引风式燃烧器更换为鼓风式燃烧器，安装风门调节装置，根据最佳过剩空气系数值调节助燃空气量，减少烟气中过量空气带走的热量损失，并在此基础上，调整温度控制系统阈值，改进燃烧器启停控制模式。通过上述一系列改进，清洗机热效率提高到75.6%，天然气消耗量下降到428 m3/104m，能耗下降到560 kg/d（标煤），取得了显著的经济效益和社会效益。