王翀 孙聪 杨济源

（1.辽河油田建设有限公司；2.辽河油田安全环保技术监督中心）

油田作为油品的大型生产基地，各生产环节用热负荷较大，加热炉数量较多，导致能源消耗量大；况且油田加热炉普遍存在分布零散、工作环境恶劣、运行负荷多变，以及运行时间长、自动化水平低等问题，热效率普遍偏低[1]。以辽河油田为例，共有加热炉1 万余台，年折合总耗能约为43×104t标煤，年平均热效率却仅有80%左右。

1 加热炉现存问题

1.1 使用年限长，设备老化严重

由于油田开发年限长，使用中的加热炉普遍存在老化问题，出现了壳体脱落、保温效果差、结垢严重等现象。早期建设的加热炉受到当时技术条件限制，热效率都相对较低，且还使用人工点火的方式，存在安全隐患[2]。由于受国家宏观经济及环保政策影响，新建加热设备呈减少趋势，更新换代具有难度。

1.2 排烟温度高，热损失大

排烟损失作为热损耗中比重最大的部分，其大小与排烟温度密切相关，排烟温度每提高12～15 ℃，热损失会增加1%左右[3]。老式加热炉由于烟道积灰严重及内部传热效果差原因，排烟温度高于平均水平，并且余热回收装置不完善，造成烟气热量的浪费。

1.3 空气系数不达标，燃烧不经济

空气系数过大，多余冷空气会被加热并由烟囱带走，引起排烟热损失增加；而空气系数过小，则不能保证燃料的完全燃烧[4]。一般条件下，该系数宜控制在1.1～1.3，如果条件允许，可进一步精确到1.05～1.1。但实际上加热炉结垢严重，加上燃烧器水平落后，导致进风量难以准确把握；以及其他因操作不当所引起的燃烧不彻底，不仅影响加热炉热效率，还会生成大量的CO、NOX等有害物质，造成空气污染。

1.4 自动化水平低，管理欠缺

近几年自动化的运用发展迅猛，如烟气氧含量连续分析仪表，全自动比例调节式燃烧器等[5]。通过对加热炉工作数据实时监控，进一步提供了人工操作依据，及时提示技术人员进行优化调整，确保加热炉处于节能、安全的生产状态。但普遍老化的加热炉不具备这一优势，不能保证加热炉一直处在高效经济区工作，对出现的问题也不能及时发现。

2 加热炉提效单项技术

2.1 高效燃烧

1）优化控制燃烧器。对于烟道靠近燃烧器的加热炉，可在烟道中安装余热回收装置，利用烟气余热给冷空气加热，保证稳定燃烧时进入燃烧室的空气为预热空气[6]；并可利用自适应控制技术，为加热炉增加氧含量在线检测，在线实时测量烟气氧含量，保证燃烧始终处于最佳状态。

该技术汇集了空气预热和自适应控制技术，拥有远程通讯及控制功能，具有高节能率和安全可靠性，但改造难度较大。适用于中大型燃气锅炉，以及油田专用的燃气加热炉、真空相变加热炉等。应用此技术后，热效率平均提升约5%，静态投资回收期4 年左右，投资节能量约1.66 tce/万元，有效使用年限10年左右。

2）膜法富氧燃烧。利用空气中氧气和氮气通过富氧膜时渗透率的不同，可在压差驱动下得到富氧空气，用这种空气作助燃空气的燃烧称为富氧燃烧。该燃烧装置把膜法富氧发生器与加热炉燃烧器结合在一起，提高了火焰温度和热量利用率，降低了空气过量系数，减少了排烟损失[7]。

这种技术可让燃料充分燃烧，延长设备使用寿命；但也会导致尾气中氮氧化物含量较高，造成环境污染，并且操作中需要定期反洗，维护成本较高，适用于2 MW 以上的油气田加热炉。应用此技术后，热效率平均提升约3.5%，静态投资回收期2 年左右，投资节能量约1.34 tce/万元，有效使用年限5年左右。

3）温包式加热炉温度自动控制装置。温包是散热器恒温阀的组成元件，用来感受温度变化并产生驱动动作，其中的工质通常为液体、固体或者气液混合体。该装置主要根据温包的热胀冷缩原理来控制加热炉进气量，进而调节加热炉温度[8]。当炉膛内温度升高时，温包内工作介质体积急剧增大，使密封容室的压力增大，推动阀芯向上位移，自动关小阀门，减小进气量；反之，开大阀门，增大进气量。

该装置结构简单，调节方便，但提效效果不太理想，控制精度略低。应用此技术后，热效率平均提升约1.5%，静态投资回收期1.1 年左右，投资节能量约1.67 tce/万元，有效使用年限10年左右。

2.2 高效换热

1）无机传热热管。用若干种无机盐配制成无机材料，放在密封的真空容器中，无机盐一旦接触到热量就激发出微粒进行高速运动并相互碰撞，实现快速高效传热，热量损耗几乎不计。无机传热技术是传统热管技术的升级，用该技术制成高效热管可提高加热炉传热效率3倍及以上[9]。

无机传热热管的换热效率高、体积小，使用温度可达1 000 ℃，安全稳定且维护费用低，但静态投资回收期较长。应用此技术后，热效率平均提升约5%，静态投资回收期5.2年左右，投资节能量约1.28 tce/万元，有效使用年限6年左右。

2）引射式辐射管。引射式辐射管燃烧主要是利用天然气自身能量引射空气，并使天然气在辐射管内燃烧，从而加热辐射管。引射式辐射管采用直管式，由耐高温不锈钢板卷制焊接而成，被加热的辐射管外表面能够以漫辐射的方式将热量投射到火筒内表面，使火焰燃烧高温区传递到火筒的热负荷均匀化，降低局部热流密度最高值；同时，将辐射管出口处的烟气温度控制在安全温度以下，避免火筒因高温而烧损[10-11]。

辐射管的直径对燃烧无影响，燃烧状况稳定，无爆燃、脱火和回火现象发生；同时火管壁面温度的分布更均匀，温差通常小于50 ℃，可延缓火管烧损或穿孔现象；辐射管的安装对燃烧器的输出功率无影响，烟气排放指标不变，排烟温度下降。它适用于燃气火筒式加热炉，尤其适用于二合一加热炉。应用此技术后，热效率平均提升约2%，静态投资回收期0.8年左右，投资节能量约8.23 tce/万元，有效使用年限6年左右。

2.3 阻垢防垢

1）加热炉可抽式烟火管。可抽式烟火管主要用于加热炉炉管的可拆性连接。其基本原理是：采用1 个火管和1 组细烟管束分层排列，细烟管束尽量集中排列，以便节省炉膛空间；将火管、烟管焊接在管板法兰上，法兰与管板法兰采用螺栓连接，烟火管由滚筒支撑，组成可抽式烟火管结构，管板法兰与封头上接管采用法兰连接。当需要清炉维修或更换时，可不割开封头而将烟火管从炉体内抽出，且加热炉热效率始终保持较高水平[12]。

细烟管束提高了加热炉的传热系数，而烟火管抽送自如，清垢方便彻底，延长了加热炉的使用寿命。但是加热炉清淤空间变小，燃烧器需更换微正压燃烧器，对燃气要求较高。它适用于火筒式加热炉，一般用于采出液黏度较大的场合。应用此技术后，热效率平均提升约3%，静态投资回收期2.4年左右，投资节能量约1.28 tce/万元，有效使用年限10年左右。

2）刮板机械式自动除防垢加热装置。该装置为分体式结构，即加热炉和换热器分体设置。工作时，载热体由出口通过管道进入换热器管程，同时被加热介质由入口进入换热器壳程，在换热器内载热体与被加热介质充分换热，冷却后的热载体通过回口流回加热炉重新加热升温，被加热介质吸热升温后由出口流出。工作中，其减速机驱动主轴带动除垢钢刷在换热器内的换热体上下表面运动，除掉或防止污垢沉积在换热体的表面上，从而达到除垢目的[13]。

火筒上安装了高效热管，能增强换热，在加热聚合物驱、三元复合驱采出液及其污水时具有明显优势。由于换热器立式安装运行，和其他“二合一”同站操作时，液位调控稍有难度；因为除防垢效果好，出换热器的被加热介质含垢量大，加大了管线结垢程度。它适用于油田转油站、联合站的泵前加热流程，用以加热原油和含有各种杂质（聚合物、颗粒物）污水。应用此技术后，热效率平均提升约7%，静态投资回收期3.1年左右，投资节能量约2.12 tce/万元，有效使用年限10年左右。

3）化学清洗除垢。化学清洗方法是将清洗剂注入循环系统，利用化学反应使管线壁上的垢质分解、溶解、脱落，随后同废液一起排掉。除了酸碱清洗药剂外，还要添加络合剂，以降低药剂对容器的腐蚀程度。碱性药剂主要是除去换热面介质侧的油垢，酸性药剂主要是除去碳酸盐、硅酸盐等垢质。除垢后宜对换热面介质侧进行钝化处理，以减缓投产后的结垢速度。在除垢清洗过程中，可加气体扰动以提高除垢速度和除垢质量[14]。

该技术使用广泛，清除污垢彻底且速度快；但会产生部分有毒气体，酸碱清洗废液处理不当易对环境造成污染，清洗过程时间长且不易彻底清垢。应用此技术后，热效率平均提升约4%，静态投资回收期0.4 年左右，投资节能量约17.28 tce/万元，有效使用年限1年左右。

3 加热炉提效集成技术

3.1 烟气余热回收

1）空气预热+高效燃烧。系统利用空气预热器吸收烟气中的余热，对助燃空气进行预热，以减少排烟损失。其中，燃烧器主要有两种形式，普通机械式燃烧器和电子比调式燃烧器。

经过预热器的热空气进入炉内后，加速了燃料的干燥、着火和燃烧过程，保证炉内稳定燃烧；由于炉内燃烧得到改善和强化，加上进入炉内的热风温度提高，炉内平均温度也有提高，从而可强化炉内辐射传热。但该技术不能适应加热炉高低负荷的变化，自动调整能力差，适用于排烟温度180 ℃以上的油田加热炉、注汽炉等。应用此技术后，热效率约提升7%，静态投资回收期2 年左右，投资节能量约2.1 tce/万元，有效使用年限8年左右。

2）热管介质预热+高效燃烧。一方面利用热管回收的烟气余热加热介质，另一方面利用全自动进口高效燃烧器，实现空气与燃料比的自动跟踪调节，减少运行时出现空气不足或过剩的现象，提高燃烧效率。系统主要由燃烧器、热管预热器、烟气旁通调节阀、被加热介质管道及仪表自控系统组成。热管介质预热+高效燃烧集成技术的应用如图1所示。

图1 热管介质预热+高效燃烧集成技术示意图

热管换热器可较易地实现冷、热流体的逆流换热，有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点，能有效降低排烟温度；与其他烟气余热回收技术相比，燃烧器与余热回收装置没有关联，可选用余地大；但其适用范围窄，一般用于被加热介质为水的场合。应用此技术后，热效率平均提升约8.0%，静态投资回收期1.4 年左右，投资节能量约3.9 tce/万元，有效使用年限10年左右。

3）烟气冷凝+高效燃烧。通过在加热炉尾部烟道上安装冷凝器将烟气热量大部分回收，使排烟温度降至90 ℃以下；同时，应用了全自动进口高效燃烧器，有效提高了燃烧效率。烟气冷凝系统如图2所示。

图2 烟气冷凝系统流程

加装烟气余热冷凝回收装置后，热效率可超过98%，在较理想的工况下节气率可达6%～15%，显著降低了运行费用；并且冷凝器烟气侧阻力不大于500 Pa，实际使用完全不会影响锅炉的燃烧。它适用于功率燃料为天然气的真空加热炉、水套炉、火筒式加热炉等炉型。应用此技术后，热效率平均提升约11%，静态投资回收期1.8 年左右，投资节能量约4.5 tce/万元，有效使用年限10年左右。

3.2 高效燃烧

1）高效燃烧+辐射涂料。通过利用全自动进口高效燃烧器，实现空气与燃料比的自动跟踪调节。同时，在炉管（管式加热炉）外壁或火筒内壁喷涂强化吸收涂料来提高黑度，增强辐射热的吸收能力，在生产负荷不变的前提下，可以减少燃料的消耗，从而达到节能的目的。

高温涂料可提高炉管及火筒表面黑度，从而提高辐射率，减少受热面平均灰垢厚度，降低结焦强度，炉内受热面辐射和传导热量增加；但涂层寿命短，运行1～3年后性能下降。应用此技术后，热效率平均提升约5.5%，静态投资回收期1.4 年左右，投资节能量约3.3 tce/万元，有效使用年限10 年左右。

2）高效燃烧+对流强化传热。采用波形火筒可使燃烧产生的高温烟气形成湍流效果，可增大换热面积、强化辐射传热，达到增加换热能力的目的。螺纹烟管管壁上的凹槽可以强化烟气扰流，使烟气在管内流动时产生湍流作用，能在有相变和无相变的传热过程中显著提高内外的传热系数，起到双边强化作用。

波纹炉胆可以吸收火筒热胀冷缩时产生的位移，延长火筒的使用寿命，提高安全系数。采用螺纹烟管可以在耗费同样材料的情况下，增大换热系数，增强换热。应用此技术后，热效率平均提升约5.5%，静态投资回收期1.6 年左右，投资节能量约2.7 tce/万元，有效使用年限3年左右。

4 现场技术应用

在辽河油田提效工作的开展中，主要依据“高效燃烧、高效换热、防垢阻垢”三大技术及集成技术，对老旧加热炉实施整体更换或改造2 000 余台，致使加热炉平均排烟温度下降6 ℃，空气系数下降0.5，负荷率提高7.6%，整体热效率提高4.8%，取得节能效果（表1）。

表1 加热炉节能效果

5 结束语

1）辽河油田通过开展一系列节能工作，成功实现热效率提高4.8%，节能量达到0.86×104t(标煤)，为今后的节能工作开展提供思路。

2）随着计算机技术的进步和大量自动化系统的应用，未来的发展将是呈信息化趋势，人为影响因素将进一步削弱，加热炉的炉效优化仍有巨大提升空间，并且提效技术将更加智能化与时效化。