備用相變加熱爐爐水伴熱系統技術應用

王秀蓮（大慶油田儲運銷售分公司）

1 現狀及存在問題

油田加熱爐是油田生產中主要耗能設備之一[1]，它在我國油氣田和長輸管道中使用有數萬臺，在油氣生產和輸送中，尤其是在我國油田大面積進入高含水期及稠油和天然氣的開發期顯得更為重要[2]。真空相變加熱爐利用相變傳熱原理，具有很高的管外傳熱系數，約4000 W/(m2·℃)[3]。運行安全、可靠、節能，并具有體積小、升溫快、熱效率高、能耗低、節能效果好、自動化程度高等特點[4]。中一站是慶哈輸油管道中間加熱站，承擔原油輸送過程中原油加熱任務，確保原油順利的輸送。備用相變加熱爐在冬季采用傳統維溫方式，具有能源消耗高、設備磨損大的弊端[5]。

大慶油田慶哈中一站內設有真空相變加熱爐2臺，運行方式一用一備，備用相變加熱爐冬季越冬采用傳統的一段火（小火）烘爐方式，這種方式在爐水維溫過程中存在燃料油消耗多、工藝操作頻繁、減少設備使用壽命等諸多弊端。冬季運行期按180天計，燃料油價格按3000元/t計算，每個冬季的燃料油費用近百萬元。真空相變加熱爐采用空爐備用方式，因上水需要時間而不能及時進行投用；采用滿水位越冬方式，爐內爐水凝固點低，在備用狀態下因爐水的凝結，會導致爐體、火筒和煙管的變形、破裂使相變加熱爐報廢。采取一段火（小火）烘爐保證爐內水的水溫，爐水控制不夠穩定，波動大，爐體金屬部位的形變頻繁、易產生應力疲勞等問題，而且操作重復，需要啟停爐次數多。當備用爐燃燒器故障時，將導致爐水凍結事故，風險極大，影響生產[6]。

2 加熱爐爐水伴熱系統節能技術改造

2.1 熱負荷計算

換熱的原理是冷熱兩流體間進行的熱量傳遞，是一種屬于傳熱過程的單元操作。備用相變加熱爐爐水冬季循環伴熱系統主要是利用換熱的主要目的之一，將物料加熱，以達到或保持生產工藝所要求的溫度，液流的換熱原理見圖1。

圖1 液流換熱原理

其中所需的熱流量計算方法為

式中：Q——熱流量，kJ；

C——液流的比熱容，kJ/(kg·℃)；

m1——已知待加熱的冷流體質量流量，kg；

T1——加熱前溫度，℃；

T2——要求加熱后溫度，℃。

此換熱過程屬于間壁式換熱計算，由傳熱基本方程式得到傳熱面積：

式中：A——傳熱面積，m2；

K——傳熱系數，W/(m2·℃)；

ΔTm——計算平均溫差，由加熱液流的進出口溫度計算，℃。

2.2 節能改造

利用傳熱學原理的間壁傳熱理論，通過熱負荷計算，確定傳熱面積，對備用相變加熱爐爐水伴熱系統進行節能改造，使爐水通過采暖回水被加熱，從而達到并保持生產工藝所要求的溫度。在備用相變加熱爐入口閥門前端與排污閥后端管段之間新建一條曲折管線的聯通，并在此聯通管線外側新建一條外套管，利用采暖回水進行連續伴熱，利用管道泵使相變爐內爐水循環，防止爐水凝結。根據上述熱負荷計算步驟，慶哈中一站內備用相變加熱爐在加熱前15℃，加熱后55℃時的待加熱冷流體質量流量為1.8×104kg，所需的熱量為3 014.64 GJ，利用5 h將達到預想溫度，則熱流量為167.48 kW，加熱液流（采暖水）的進口溫度65℃，出口溫度60℃，盡量使流體呈現紊流狀態，傳熱系數2496 W/(m2·℃)時，平均溫差23.3℃，得出傳熱面積2.88 m2，實際換熱面積取計算面積的1.15倍，即3.31 m2。

3 技術應用及經濟效益分析

2016年9月至目前，在慶哈中一站1#相變加熱爐應用此加熱爐爐水伴熱系統取得良好的效果，爐水水質無任何改變，溫度維持穩定。在備用相變加熱爐入口閥門前端與相變加熱爐排污閥后管段之間新建伴熱系統，不影響相變加熱爐爐體本身工藝。根據熱負荷計算出的換熱面積，確定?50×4的曲折管線聯通，并在此聯通管線外側新建?273×7，長度為3 m的外套管，并利用采暖回水進行連續伴熱，利用管道泵進行相變爐內爐水循環，循環壓力為0.09 MPa，爐水水溫維持在50～60℃。安裝壓力表與溫度計，監測伴熱系統壓力與溫度參數；安裝安全閥，確保壓力小于或等于0.1 MPa。通過加熱爐爐水伴熱系統的節能改造，能夠為相變加熱爐冬季隨時投產和防凍脹的問題提供解決方法；切實減少燃料使用量，降低成本，保證相變加熱爐隨時投產、安全平穩運行。

此加熱爐爐水伴熱系統應用后，能夠保證在室外溫度-30～-20℃時，備用相變爐爐水溫度穩定在50～60℃。與傳統的小火烘爐越冬方式相比，節省燃料費和設備磨損費，采用小火烘爐保溫方式，即使采用更換小火嘴減少燃油消耗的方式，負荷依然為大火時的三分之一。相變加熱爐大火時日耗油量為5.2 t/d，那么小火烘爐的日耗油量為1.7 t/d。冬季運行期按180天計算，燃料油價格按3000元/t計算，每個冬季的燃料油費用共計91.8萬元。另外，備用相變加熱爐燃燒器的燃油泵更換周期為連續運行6個月，火嘴為3個月，則設備年磨損費約1萬元/臺。采用此系統給采暖系統帶來的損耗為4.3萬元/a。綜上，年節約費用88.5萬元/臺。

4 結語

1）備用相變加熱爐爐水伴熱系統根據加熱爐自身特點結合采暖工藝實際情況能夠解決地處嚴寒、寒冷地區備用相變加熱爐冬季平穩、安全、高效過冬的問題。

2）備用相變加熱爐爐水伴熱系統具有減少能源浪費和設備磨損，簡化操作，減少環境污染，安全可靠等優點，適宜在油田及其他相關領域應用。

3）利用采暖回水來維持相變加熱爐爐水溫度，能夠保證相變加熱爐在冬季隨時投產，真正起到備用目的，并能產生良好的經濟效益和社會效益。

[1]白曉彤.油田加熱爐經濟運行評價方法與優化[D].大慶：東北石油大學，2016.

[2]王洪杰.真空相變原油加熱爐技術在油田聯合站的應用[J].石油石化節能，2014（4）：16-18.

[3]劉興漢.油田相變加熱爐換熱問題的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[4]蘇海鵬.新型相變加熱爐的設計及應用[J].石油化工應用，2010，29（12）：93-97.

[5]武喜懷.相變加熱爐的應用[J].中國設備工程，2015（6）：60-62.

[6]陳佳琪.李琪.冷德成.真空加熱爐技術現狀簡述[J].化工裝備技術，2007，38（2）：14-16.