提高真空加熱爐熱效率節(jié)能效果分析

宋巍 吳賀（大慶油田采氣分公司）

提高真空加熱爐熱效率節(jié)能效果分析

宋巍 吳賀（大慶油田采氣分公司）

真空加熱爐是徐深氣田井站里最重要的設(shè)備之一，而熱效率的大小直接關(guān)系到加熱爐運(yùn)行狀態(tài)的好壞，提高其熱效率對(duì)于節(jié)能降耗意義重大。通過對(duì)加熱爐熱效率的計(jì)算方法進(jìn)行分析和討論，提出了一些提高加熱爐熱效率的措施，希望能夠?yàn)槠涔?jié)能降耗提供參考。

真空加熱爐 熱效率

真空加熱爐是徐深氣田井站里最重要的設(shè)備之一，它主要負(fù)責(zé)各單井產(chǎn)氣的換熱任務(wù)，提高三級(jí)節(jié)流前的溫度，進(jìn)而防止三節(jié)后凍堵。而熱效率是衡量加熱爐運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)之一，它不僅能夠反映出加熱爐是否工作在最佳狀態(tài)，同時(shí)還可以在節(jié) 能 降 耗 方 面 提 供 參 考[1]。 如 何 計(jì) 算 加 熱 爐 的 熱 效率，怎樣提高加熱爐的熱效率，降低燃料氣的消耗，成了亟待解決的課題。

1 真空加熱爐熱效率的計(jì)算和分析

1.1真空加熱爐原理

徐深氣田真空加熱爐主要以天然氣為主要燃料，用軟化水作為中間介質(zhì)，首先燃燒器將燃料氣充分在火筒中燃燒，熾熱的高溫氣體經(jīng)回?zé)熓乙约?～3 回程的煙管與鍋殼內(nèi)軟化水充分換熱，水受熱沸騰由液相變?yōu)闅庀嗾舭l(fā)，并與密封在一個(gè)容器中的加熱盤管接觸，由于盤管外表面溫度較低，從而使 蒸 汽 冷 凝 ， 并 把 熱 量 傳 遞 給 盤 管 內(nèi) 介 質(zhì)[2]。 冷 凝后的水再次落下，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了給天然氣加熱的目的，見圖1。

1.2真空加熱爐熱效率計(jì)算方法及實(shí)例分析

SY/T6381—2008 對(duì) 加 熱 爐 熱 效 率 的 定 義 是 ：同一時(shí)間內(nèi)加熱爐的有效輸出熱量與供給能量的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。在可以忽略被加熱介質(zhì)帶入加熱爐的熱量從輸入到輸出過程所產(chǎn)生的能量損失時(shí)，加熱爐熱效率為同一時(shí)間內(nèi)加熱爐的被加熱介質(zhì)輸出熱量與輸入熱量之差與供給能量的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。而對(duì)于熱效率的計(jì)算可以通過兩種途徑：正平衡法和反平衡法。

圖1 真空加熱爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

所謂正平衡法就是根據(jù)熱效率的定義來進(jìn)行計(jì)算。

式中：

η——熱效率，%；

Cq——天然氣的定壓比熱容，kJ/（kmol·K）；

Ng——天然氣的物質(zhì)的量，kmol；

Cw——水的比熱容，kJ/（kg·K）；

H ——天然氣的熱值，kJ/kg。

由于徐深氣田所產(chǎn)天然氣大部分含水，并且真空加熱爐位于分離器之前，這樣造成換熱介質(zhì)不單純是天然氣，還有一部分水的影響，因此，我們應(yīng)該把水和天然氣共同作為被加熱介質(zhì)。

計(jì)算實(shí)例：以徐深某集氣站為例，徐深某集氣站×年×月×日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 徐深某集氣站×年×月×日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

首先計(jì)算每口單井的有效利用熱量，以徐深某井為例：

同理可以得出其它5口井的有效利用熱量，則可得出加熱爐的熱效率為：

而反平衡法就是通過測(cè)定各種燃燒產(chǎn)物熱損失和加熱爐散熱損失來確定熱效率的方法。其計(jì)算公式如下：

式中：

q2——排煙熱損失；

q3——?dú)怏w未完全燃燒熱損失；

q4——散熱損失。

通常來說，加熱爐熱效率計(jì)算應(yīng)該同時(shí)采用正平衡法和反平衡法，然后求取其平均值來進(jìn)行確定，但由于各種熱損失只能通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法得到，而目前的條件不允許，所以無法進(jìn)行定量計(jì)算，但可以對(duì)影響熱效率的各個(gè)因素進(jìn)行定性分析。

2 真空加熱爐熱效率的影響因素分析

2.1排煙熱損失

排煙熱損失 (q2)指煙 氣進(jìn) 入煙 囪時(shí)帶走的部分熱量。其大小主要取決于排煙溫度的高低和排煙處的煙氣量的大小。在燃料及送風(fēng)條件保持穩(wěn)定時(shí)，排煙量的變化可以忽略。排煙溫度的高低直接影響熱效率的大小，排煙溫度越高，熱效率越小。一般排煙溫度每升高 10～15 ℃，熱效率會(huì)下降 1%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該盡量降低排煙溫度，進(jìn)而提高熱效率，但是也不益過低（低于烴露點(diǎn)），否則加熱爐尾部易產(chǎn)生滴水現(xiàn)象，以致誘發(fā)加熱爐尾部受熱面腐蝕問題。一般情況下，加熱爐安全排煙溫度要高于煙氣烴露點(diǎn)5～10 ℃。

2.2氣體未完全燃燒熱損失

氣體 未完 全燃 燒熱 損失 (q3)指 燃燒 過程 中產(chǎn) 生的可燃?xì)怏w CO、CH4等未完全燃燒而隨煙氣排走所造成的熱損失。該項(xiàng)損失主要取決于排煙處的CO含量和過量空氣系數(shù)。空氣量過大時(shí)，增加了加熱爐內(nèi)部的空氣流動(dòng)速度，將一部分未燃燒氣體帶走，影響了燃燒效果，增加了 q2熱損失。空氣量不足時(shí)，爐膛溫度不高，空氣沒有與可燃?xì)怏w充分混合，可燃?xì)怏w沒有充分燃燒就排走。

2.3散熱損失

加熱爐在運(yùn)行過程中，由于保溫材料并不是完全隔熱，加熱爐的介質(zhì)熱量通過爐墻、煙風(fēng)道等外表面散發(fā)出來，該部分散失的熱量即散熱損失(q4)。 散熱損 失大小 主要是 由鍋爐 外壁面 積及外 壁溫度所決定，通常加熱爐的散熱損失較小，可以通過加強(qiáng)加熱爐本體和管道保溫，防止或減少爐體表面 熱 量 損 失[3]。

3 提高熱效率的措施

根據(jù)熱平衡原理，熱損失小了，有效利用熱就多，效率便會(huì)提高。因此，如何提高加熱爐熱效率就成為研究如何降低熱損失。通過分析熱損失的影響因素，得出以下提高熱效率的措施。

1）及時(shí)清理火筒受熱面上的煙灰和水垢。由于 煙 灰 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 為 0.07～0.12kW/（m · K）， 水 垢的導(dǎo)熱系數(shù)為 1.28～3.14kW/（m· K），而鋼材的導(dǎo)熱 系 數(shù) 為 35.6～50.6kW/（m · K）， 大 約 是 煙 灰 的463 倍，水垢的 19.5 倍，這樣一來，假如加熱爐在運(yùn)行中，受熱面上的煙灰和水垢不及時(shí)清理，傳熱阻力將大大增加，造成排煙溫度升高。因此應(yīng)該及時(shí)清理火筒受熱面上的煙灰和水垢。

2）控制風(fēng)量配比。一般來說，燃料氣必須要在一定多余空氣量的條件下才能完全燃燒。燃燒所用的實(shí)際空氣量與理論空氣量之比稱為過剩空氣系數(shù)α。而合理的過剩空氣系數(shù) α =1.05～1.15。熱效率與過剩空氣系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 熱效率與過剩空氣系數(shù)的關(guān)系

從 圖中可 以 看 出 ：當(dāng)過 剩 空 氣系數(shù) α ＜1.16時(shí)，雖然 q2也隨 α 的降低而降低，但 q3隨 α 的下降而增大，使熱效率也出現(xiàn)下降的趨勢(shì)；當(dāng)過剩空氣 系 數(shù) α ＞1.16 時(shí) ， 隨 著 α 的 增 大 ， q2逐 漸 增大，熱效率逐漸降低。

而實(shí)際生產(chǎn)中首先是要選用性能良好的燃燒器，保證在較低的過剩空氣系數(shù)下完全燃燒；其次是在操作過程中管好兩門一板（風(fēng)門、氣門和煙囪擋板）確保加熱爐在合理的過剩空氣系數(shù)下運(yùn)轉(zhuǎn)，既不讓過剩空氣量太大，也不因過剩空氣不夠而出現(xiàn)不完全燃燒；再者是應(yīng)做好加熱爐的堵漏，因?yàn)檎婵占訜釥t都是負(fù)壓操作的，如果看火門、人孔門、彎頭箱門等關(guān)閉不嚴(yán)或爐墻有泄漏之處，從這些地方漏入爐內(nèi)的空氣一般都不參與燃燒而白白帶走熱量。

3）修補(bǔ)爐墻或噴涂高溫遠(yuǎn)紅外涂料。加熱爐爐外壁以輻射和對(duì)流兩種方式向大氣散熱。散熱量與爐外壁溫度、環(huán)境溫度和風(fēng)速等有關(guān)。當(dāng)內(nèi)壁溫度一定，爐墻材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和尺寸已一定時(shí)，環(huán)境溫度下降，爐外壁溫度也降低，實(shí)際溫差變化不大，散熱損失變化也不大。同樣，環(huán)境風(fēng)速增加，外壁溫度也降低，但對(duì)流傳熱系數(shù)增加，因此散熱量變化也不大。

4）控制加熱爐的負(fù)荷率。通過一臺(tái)真空加熱爐在不同月份的縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)：熱效率與負(fù)荷率存在一定關(guān)系，其隨著負(fù)荷率的降低而降低，見圖3。

圖3 某集氣站加熱爐2011年上半年各月平均熱效率和平均負(fù)荷率關(guān)系曲線

又通過對(duì)各集氣站加熱爐平均熱效率及其負(fù)荷率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見圖4。

將平均負(fù)荷率按從小到大的順序進(jìn)行重新排列，見圖5。

從圖5中可以看出：熱效率曲線呈近似拋物線形狀，當(dāng)負(fù)荷率接近 100%時(shí)，熱效率最大；而在100%兩側(cè)，熱效率逐漸減少。這是由于加熱爐超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，供給的燃料氣相對(duì)于供給的空氣較多，此時(shí)氣體不完全燃燒，燃料會(huì)隨著煙氣排出，造成氣體不完全燃燒熱損失增大，從而熱效率降低。因此我們應(yīng)該控制加熱爐的負(fù)荷率，杜絕超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 各集氣站加熱爐平均熱效率和平均負(fù)荷率關(guān)系曲線

圖5 各集氣站加熱爐平均熱效率和平均負(fù)荷率關(guān)系曲線

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）加熱爐熱效率計(jì)算有正平衡法和反平衡法兩種方法，熱效率計(jì)算應(yīng)該取兩者的平均值，精度要求不高時(shí)可以采用其中一種方法進(jìn)行計(jì)算。

2）影響真空加熱爐熱效率的影響因素主要包括：排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和散熱損失。

3）通過及時(shí)清理火筒受熱面上的煙灰和水垢、控制風(fēng)量配比、修補(bǔ)爐墻或噴涂高溫遠(yuǎn)紅外涂料和控制加熱爐的負(fù)荷率等措施可以提高真空加熱爐的熱效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

[1] 裴召華.提高火筒式加熱爐熱效率的措施[J].石油規(guī)劃與設(shè)計(jì),2009(9):46-47.

[2] 王金枝,肖明,姜春敏.排煙溫度對(duì)鍋爐效率的影響[J].山東電力技術(shù),2008(2):35-37.

[3] 張國(guó)光,姜英.鍋爐各種熱損失對(duì)鍋爐效率的影響程度分析[J].煤質(zhì)技術(shù),2009(7):46-49.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.007.029

2013-03-26）

宋巍，2005年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，從事資產(chǎn)設(shè)備管理 工 作 ， E-mail： songwei@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龍 江 省 大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司第二作業(yè)區(qū)，163000。