加熱爐高原運行監測評價標準修正建議

邢臺 蘭海濤 李春保 馬金旭（青海油田鉆采工藝研究院節能監測中心）

加熱爐高原運行監測評價標準修正建議

邢臺 蘭海濤 李春保 馬金旭（青海油田鉆采工藝研究院節能監測中心）

青海油田地處高原，油田集輸系統加熱爐運行指標偏低，在熱效率、空氣系數、排煙溫度等指標上與中國石油的平均指標相比，存在較大的差距。根據油田歷年來的加熱爐監測數據報告，對比加熱爐在高原和平原運行時多項監測評定指標的差別，特別是空氣系數和熱效率的指標差別。探討了高海拔地區理論計算的空氣系數，提出針對油田燃氣加熱爐實施的新節能監測規范指標，并在高原加熱爐運行評價時進行修正。進一步確定高原加熱爐運行節能監測的合理指標，以便全面準確評價高原運行加熱爐的用能效果。

青海油田；高原加熱爐；指標；監測評價標準；修正

油氣田加熱爐是油氣加工儲運過程中不可或缺的加熱設備，也是油氣田的主要能耗設備。油氣田加熱爐的能效評價標準是評定加熱爐能源利用率的程序和法規，油氣田加熱爐的能效評價標準是油氣田采購、制造和維修維護加熱爐的主要依據，同時加熱爐的監測評價標準也是判定加熱爐運行過程中用能水平的主要指標和依據。加熱爐使用過程中節能監測評價指標的合理選擇，對于規范加熱爐生產行業和提高加熱爐的節能運行管理水平具有重要意義。

1 油田現行的加熱爐節能監測評價標準

目前，油田加熱爐節能監測評價主要依據GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》、SY/T 5264—2012《油田生產系統能耗測試和計算方法》、SY/T 6381—2016《石油工業用加熱爐熱工測定》等技術標準文件進行測試、計算和能效等級評價。作為油田燃氣加熱爐日常的節能監測工作，按照監測規范，主要采取三級監測，通常采用反平衡法進行測試[1]。采用反平衡法測試，一方面方便日常的監測工作，另一方面便于掌握加熱爐日常運行中能耗問題所在。監測評價的指標主要是排煙溫度、空氣系數、爐體外表溫度和熱效率。目前中石油加熱爐在選取加熱爐監測評價指標過程中，主要是依據GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》確定的四項考核指標。

青海油田地處高原，生產基地平均海拔2900 m，根據多年來測試經驗和監測數據，對加熱爐采用現行統一的監測評價標準進行評價和考核，不能全面準確反映高原加熱爐的節能運行水平。海拔3000 m的高原，由于空氣密度的變化，相同體積的空氣中，含氧量會發生相應的變化，加熱爐燃燒的空氣系數也會發生變化；由于高原環境，季節溫差和日夜溫差較大，排煙溫度的要求也有較大差距；海拔升高，空氣密度降低，散熱和對流作用減弱，暴露在空氣中的加熱爐其外表溫度就會升高；此外，相同功率、負荷和外保溫材料情況下運行的鍋爐，外表溫度也會有所差別。測試參數也會對加熱爐的熱效率計算和總體評價產生差別。因此對于地處高原環境的青海、玉門等油田的加熱爐，在監測評價標準上還應區別對待。

2 高原環境對油田加熱爐運行監測指標的影響

2.1 熱效率

熱效率是衡量加熱爐生產制造和運行的一個重要指標。對于采用反平衡法測試的加熱爐，其熱效率的計算與加熱爐的型號、容量、燃料種類、外部環境有著密切關系。加熱爐的熱效率指標也是衡量加熱爐經濟運行的綜合指標。熱效率指標與排煙熱損失、散熱損失、化學不完全燃燒熱損失和空氣系數有密切的關系，其中排煙熱損失是決定熱效率高低的主要因素，其大小又取決于排煙溫度的高低和空氣系數的大小。

2.2 空氣系數

空氣系數不僅是加熱爐監測的主要指標之一，也是影響加熱爐熱效率的主要因數[2]。通常，最優空氣系數值是通過大量的現場測試和應用得出的經驗數值?？諝庀禂翟诓煌暮０胃叨?，由于空氣密度的變化，同體積內的氧氣含量隨之變化，由于空氣密度和壓力的變化，加熱爐合理燃燒的空氣系數也會發生變化。根據多年的測試經驗顯示，海拔越高，空氣系數的合理值越大。2011年中國石油股份公司對所屬各油田的3877臺油田加熱爐進行了節能監測，平均熱效率為80.0%，平均空氣系數為2.3；勝利油田對其所屬的849臺加熱爐進行監測，其平均熱效率為83.1%，空氣系數為1.6；青海油田2011年對各采油氣廠的150臺加熱爐進行了監測，平均熱效率為80.12%，空氣系數為2.4。2015年中國石油對其所屬各油田（包括青海油田147臺）的3520臺加熱爐進行了監測，平均熱效率為85.2%，空氣系數為1.7；同期青海油田對其所屬的油氣田的147臺加熱爐進行了監測，平均熱效率為82.3%，平均空氣系數為2.2，具體情況見表1[3]。對于平原基本要達到1.65～1.75[4]的評價合格值，對于高原油田（青海油田海拔約在3000 m）的加熱爐監測，有必要對空氣系數的監測和評價作出適當的調整。

表1 2011、2015年加熱爐監測指標平均數據

2.3 空氣系數對熱效率的影響

加熱爐是靠燃料中的可燃成分與空氣中的氧氣充分混合燃燒后轉變為熱能的。燃料燃燒時需要的氧氣來源于空氣，空氣中氧氣的體積分數約為21%，1 m3（0℃，101.325 kPa）天然氣在標準狀態下完全燃燒所需要的理論空氣量約為9.64 m3。

由于影響燃料完全燃燒程度的因素很多，其中空氣的供給量是否充分，燃料與空氣的混合是否良好是很重要的條件。加熱爐在實際運行中，燃料不可能在理論空氣量下完全燃燒，總要在有一定過?？諝饬康臈l件下才能完全燃燒，空氣需要量可由下式求得：

式中：α——空氣系數；

V——實際燃燒的空氣體積，m3；

V0——理論燃燒的空氣體積，m3。

對于加熱爐而言，在正常燃燒情況下的空氣系數α為1.05～1.20[5]。由于青海油田地處西北高原，地域內的加熱爐使用海拔高度在3000 m左右，空氣中含氧量與標準狀態相比有較大的差異。

由于空氣壓力、溫度和密度符合理想氣體的狀態方程，因此在一定溫度下，大氣壓力與其密度成正比，三者的關系用理想氣體狀態方程表示如下：

式中：P——大氣壓力，Pa；

ρ——空氣密度，kg/m3；

T——熱力學溫度，K；

R——氣體常數，J/(kg·K）。

對于空氣的氣體常數R=287 J/(kg·K)，在已知某狀態的兩個基本參數時，根據式（2）就可以求出在該狀態下的空氣密度。

如果將空氣中含氧量近似為常數，通過公式（3）可以計算出不同海拔高度與地面等同條件下的相對氧氣密度，即

C——地面附近空氣中含氧量，%；

ρH——不同海拔高度的空氣密度，kg/m3。

不同海拔高度的相對氧氣密度與標準狀態下氧氣密度的比值，等于兩者單位體積氧氣含量的質量比，這一比值實際上就是不同海拔高度燃燒所需實際空氣量的修正值，即

式中：K——高原修正系數；

ρ0——標準狀態下的氧氣密度，kg/m3。

當外界溫度為15℃時，根據公式（2）可計算出不同海拔高度下的空氣密度。不同海拔高度下的空氣密度及空氣中的理論含氧量見表2。

由表2可知，隨著海拔高度的升高，空氣中含氧量也隨之降低。由于空氣中含氧量發生了變化，所以在標準狀態下計算出的理論空氣量值不適合高原地區。由此可以看出，只有將與海拔高度相對應的空氣中含氧量作為主要參數，對燃燒所需要的實際空氣量進行修正，才能夠達到燃料以最小過量空氣系數完全燃燒的目的。

表2 海拔高度與空氣密度、理論含氧量的關系

由于海拔高度為零的地面附近空氣中含氧量為20.95%，按照公式（2），在此條件下地面附近的氧氣密度為

當海拔高度在3000 m時，氧氣密度為

當海拔高度在3000 m時，根據公式（3）其修正系數為

因此，海拔高度在3000 m時，水套加熱爐充分燃燒所需的實際空氣系數為α′=α/K=1.48。建議將青海油田加熱爐空氣系數控制在小于或等于2.2。

2.4 爐體外表溫度

爐體外表溫度是加熱爐運行監測主要指標之一。不同的海拔高度下，由于空氣密度的變化對運行設備的散熱有一定的作用。海拔升高，空氣密度降低，散熱和對流作用減弱，暴露在空氣中加熱爐外表溫度就會升高。相同功率、負荷和外保溫材料情況下運行的鍋爐，外表溫度也會有所差別。海拔每升高100 m，溫度增加0.1～0.4℃。對于安裝在室外的加熱爐，氣候溫度也會隨海拔的升高而降低，海拔每升高100 m，氣溫降低約0.6℃，可以部分抵消由于海拔升高的溫度影響。

由表1可知，實際監測中所有加熱爐的表面溫度完全達標，而且遠低于50℃的限定值；因此，高原環境對加熱爐的外表面溫度評定基本不受影響。

3 排煙溫度對熱效率的影響

排煙熱損失是決定熱效率高低的主要因數，其大小取決于排煙溫度和空氣系數的高低。排煙溫度越高，排出煙氣的熱焓值越高，帶走的熱量就越多；降低排煙溫度可提高熱效率，但排煙溫度也不是越低越好，排煙溫度過低，會使煙氣中的SO2、CO2等對加熱爐煙道和尾部受熱面造成腐蝕，縮短設備的使用壽命。

排煙溫度的高低直接影響到排煙損失率的大小，排煙溫度每降低10～15℃，加熱爐熱效率就可以提高1%[6]；因此，應將排煙溫度控制在合理范圍之內。根據SY/T 5262—2009《火筒式加熱爐規范》，排煙溫度按當地煙氣露點溫度（青海油田冬季平均酸露點溫度為90℃）加20～30℃的規定，在日常生產中，將加熱爐排煙溫度控制在130～160℃之間較為合適。根據表1實測，實際排煙溫度也在此范圍之內。

加熱爐在實際運行中，燃料燃燒和換熱過程非常復雜?？諝庀禂档淖兓瘜訜釥t的排煙熱損失、化學不完全燃燒熱損失和熱效率都有很大的影響。空氣系數越大，表明進入爐內的空氣增多，排煙容積就越大，排煙熱損失q2顯著增大，大量熱量隨煙氣排放至大氣?？諝庀禂颠^大，一方面會使爐內燃燒溫度下降，煙氣中的CO難以完全燃燒，導致不完全燃燒熱損失q3增大；另一方面會使煙氣在爐內的流速加快，燃料在爐內未能充分燃燒就排出，導致q3增大，熱效率下降。

由表3可知，排煙熱損失隨排煙溫度的升高和過量空氣系數的增大而增大。在相同工況下，當排煙溫度在150℃時，過量空氣系數每增加0.1，排煙熱損失增加0.528%；當排煙溫度在200℃時，空氣系數每增加0.1，排煙熱損失增加0.705%。

表3 排煙熱損失（按標準組分計算）

根據實際測試經驗可知，燃燒時排煙熱損失q2是決定熱效率高低的主要因數，其大小取決于排煙溫度、空氣系數的高低。即：排煙溫度越高，排出煙氣的熱焓值越高，帶走的熱量就越多；空氣系數越高，說明進入加熱爐內的空氣過多，大量的過剩空氣隨著排煙，將較多的熱量從煙道排入大氣，熱損失增大，熱效率下降。此外，空氣系數過大還使火筒內燃燒溫度下降，從而減小熱輻射強度，增加燃料用量，導致熱效率下降。因此，根據不同海拔高度，選擇合適的空氣系數，是合理控制排煙溫度、提高爐效的重要手段。

4 結論

根據現行加熱爐監測評價標準，影響加熱爐監測結果和評判的主要標準有四項，其中和外部環境相關的因數主要有空氣系數、爐體外表溫度?？諝庀禂祵訜釥t整體熱效率的影響又是主要因素之一，排煙溫度與環境和季節有一定的關系。從理論計算可以作為一個分析補償手段，但要確定不同海拔高度的監測和評價標準，還需做進一步的現場試驗和測試對比數據。建議應加強此項測試研究工作。

[1]國家能源局.石油工業用加熱爐熱工測定：SY/T 6381—2016[S].北京：石油工業出版社，2016：3-13.

[2]高麗霞，袁隆基，周澤妮，等.確定最佳過量空氣系數的新方法[J].煤礦機械，2009，30（8）：31.

[3]李秀娟.油田加熱爐節能運行的綜合評價[D].大慶：東北石油大學，2011.

[4]中國國家標準化管理委員會.油田生產系統節能監測規范：GB/T 31453—2015[S].北京：石油工業出版社，2015：4-5.

[5]徐學慧，陶進峰.基于NOx的平焰燃燒加熱爐最佳過?？諝庀禂档臄抵笛芯縖J].工業安全與環保，2012，38（12）：55-57.

[6]施益昌.通過控制過量空氣系數提高注氣鍋爐熱效率[J].管道技術與設備，2004（1）：16-17.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.020

2016-11-06

（編輯 張興平）

邢臺，高級工程師，1987年畢業于華東石油學院（礦場機械專業)，從事節能監測及節能節水技術研究，E-mail：xtqh@petrochina.com.cn，地址：甘肅敦煌七里鎮鉆采工藝研究院，736202。