冷凝式真空加熱爐在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

王慶林

（華北油田第三采油廠 滄州 062450）

華北油田所產(chǎn)石油大部分為石蠟基原油，具有“高含蠟、高凝點、高黏度”的特點，為保證連續(xù)生產(chǎn)，不論是單井集油還是處理站油氣水分離、原油外輸?shù)拳h(huán)節(jié)，都需要對原油進行加熱，因此，加熱爐成為油田生產(chǎn)中不可或缺的重要設(shè)備；同時，加熱爐也是耗能比較大的設(shè)備。第三采油廠目前共有加熱爐88臺，在用80臺，熱負(fù)荷在400～2330kW之間。受生產(chǎn)伴生氣量較小等因素的制約，加熱爐燃料以原油為主，并有少量伴生氣。全廠熱力系統(tǒng)年消耗油氣當(dāng)量3.5×104t，占全廠原油年產(chǎn)量的3.2%。加熱爐設(shè)計熱效率在84%～91%之間，根據(jù)節(jié)能監(jiān)測部門現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，實際運行熱效率在67.3%～89.14%之間，平均熱效率為83.26%，綜合節(jié)能達(dá)標(biāo)率僅22.7%。

1 原因分析

影響加熱爐熱效率的主要因素有：排煙熱損失、過剩空氣系數(shù)、爐體外表面溫度等[1]。根據(jù)對現(xiàn)場加熱爐節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，影響第三采油廠加熱爐熱效率的因素主要有以下兩個方面：

1）過剩空氣系數(shù)過高。過剩空氣系數(shù)直接影響著排煙熱損失，還對氣體不完全燃燒熱損失有一定的影響，所以過?？諝庀禂?shù)是影響加熱爐經(jīng)濟運行的一個非常重要的參數(shù)。經(jīng)驗表明過量空氣系數(shù)每增加0.1，排煙熱損失就要增加0.5%左右。過?？諝庀禂?shù)在1.2左右時，熱效率最大[2]。由于部分加熱爐應(yīng)用旋杯式燃燒器，不能實現(xiàn)自動配風(fēng)，造成過?？諝庀禂?shù)大于1.2 ，隨著過剩空氣系數(shù)的增大，熱效率也不斷降低。

2）排煙溫度過高。該廠排煙溫度超過200℃的加熱爐占加熱爐總數(shù)的70%以上，不僅浪費較多的物理顯熱，而且汽化潛熱完全浪費。當(dāng)天然氣鍋爐的排煙溫度較高時，煙氣所含的水蒸氣不能冷凝放出熱量，隨煙氣排放，熱量被浪費[2]。同時，高溫?zé)煔庖矌ё叽罅繜崮埽固烊粴獾娜紵抵邢喈?dāng)部分不能得到利用，降低了能源利用率。

2 技術(shù)對策

根據(jù)上述分析，提高加熱爐熱效率采取對策如下：

1）將加熱爐燃燒器更換為全自動燃燒器，該燃燒器可根據(jù)設(shè)定好的介質(zhì)出爐溫度自動控制燃料供應(yīng)量和燃燒器風(fēng)門開度，實現(xiàn)合理控制配風(fēng)，使過?？諝庀禂?shù)得以優(yōu)化。

2）對加熱爐爐膛、煙管定期清灰和爐管定期清垢，解決因灰塵聚集覆蓋和結(jié)垢影響換熱效果的問題，從而提高加熱爐運行效率。

3）在煙氣出口增加換熱裝置，通過回收煙氣余熱，提高被加熱介質(zhì)溫度，或為燃燒器二次風(fēng)升溫，以降低過高的排煙溫度，從而達(dá)到提高加熱爐熱效率的目的，具有較好的節(jié)能效益。

目前試驗的冷凝式真空加熱爐，是一種將真空加熱爐和煙氣余熱回收技術(shù)結(jié)合在一起的組合式加熱爐，通過將兩種技術(shù)合二為一，使加熱爐熱效率得到較大幅度提高。

2.1 冷凝式真空加熱爐結(jié)構(gòu)

冷凝式真空加熱爐由真空加熱爐和煙氣余熱回收裝置兩部分組成。

1）真空加熱爐結(jié)構(gòu)。真空加熱爐由鍋殼、火筒、煙管、換熱盤管、煙囪、煙箱、煙風(fēng)道、燃燒器及梯子平臺等附件組成。

2）余熱回收裝置結(jié)構(gòu)。余熱回收裝置采用由許多相互平行的板單元組成的板式空氣預(yù)熱器，第一級為煙氣、水冷凝器，第二級為煙氣—助燃空氣冷凝器。煙氣與空氣在板間交錯流動換熱，板單元可以是平板，也可以是沖壓成各種形狀的波紋板。

板式空氣預(yù)熱器的主要優(yōu)點如下［3-4］：一是阻力小。板式空氣預(yù)熱器中氣流在兩板之間流動，具有暢通無阻的氣體流動通道，其壓降較熱管式空氣預(yù)熱器小得多。一般情況下，同樣的應(yīng)用場合，板式空氣預(yù)熱器的阻力只有熱管式空氣預(yù)熱器的20%～60%；二是不易積灰。板式空氣預(yù)熱器單位體積內(nèi)換熱面積大，有寬且直的流道，故積灰速度比熱管式空氣預(yù)熱器緩慢，其結(jié)構(gòu)既便于清灰、又便于布置吹灰器；三是結(jié)構(gòu)緊湊。板式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積約為熱管式空氣預(yù)熱器的50%，可滿足大型裝置的要求，在同樣的工況條件和熱負(fù)荷下，板式空氣預(yù)熱器的造價只有熱管式空氣預(yù)熱器的50%～66%；四是使用壽命長。板式空氣預(yù)熱器板材表面易于進行各種處理，表面處理采用各種防腐涂料、滲鋁、搪瓷等措施，增加板材使用壽命，安全可靠。

圖1 煙氣回收裝置安裝示意圖

2.2 冷凝式真空加熱爐運行原理

1）真空加熱爐工作原理。真空加熱爐本體主要由密閉的鍋殼、火筒、盤管、真空閥等組成。加熱爐初次投用時，將水添加至鍋殼液位計的1/3～1/2處，此時鍋殼內(nèi)水面上部空間為空氣，關(guān)閉鍋殼上放空閥門，啟動燃燒器，燃燒器將燃料充分燃燒，熱量經(jīng)加熱爐火筒（輻射受熱面）及煙管（對流受熱面）傳遞給鍋殼內(nèi)中間介質(zhì)水，水受熱沸騰由液相變?yōu)闅庀嗾舭l(fā)，待水蒸氣壓力達(dá)到一定值時，推開真空閥閥球，將鍋殼內(nèi)的空氣排至大氣中，排汽持續(xù)10～15min后，停止燃燒器運行，由于鍋殼內(nèi)水溫下降，氣相空間體積減小，壓力下降，真空閥閥球在重力作用下回座，實現(xiàn)鍋殼內(nèi)部與大氣隔絕，內(nèi)部壓力降低到大氣壓力以下，形成真空空間。由于真空加熱爐水換熱介質(zhì)在低于100℃下汽化，并且鍋殼承壓低（低于大氣壓），與其他類型加熱爐相比，真空加熱爐具有安全性好，熱效率高的特點。正常生產(chǎn)時，鍋殼內(nèi)部的水介質(zhì)被加熱后汽化，水蒸汽逐步充滿鍋殼和盤管的氣相空間，由于盤管內(nèi)被加熱介質(zhì)及管壁溫度遠(yuǎn)低于蒸汽溫度，從而使蒸汽在換熱管外壁冷凝，并把熱量傳遞給盤管內(nèi)介質(zhì)。冷凝后的水在重力作用下落回鍋殼水相空間。如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)了相變換熱過程。

2）余熱回收裝置運行原理。煙氣冷凝余熱回收裝置用溫度較低的水或空氣冷卻煙氣。使煙氣通過裝置后，靠近換熱面的區(qū)域溫度降低，煙氣中水蒸氣冷凝，從而使得煙氣顯熱和水蒸氣汽化潛熱釋放，達(dá)到回收利用的目的[5]。

燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓ㄒ话?60～250℃）中的水蒸氣處于過熱狀態(tài)，經(jīng)煙風(fēng)道進入煙氣余熱回收裝置，經(jīng)過煙氣—水冷凝器，為加熱介質(zhì)預(yù)熱，然后進入煙氣—助燃空氣冷凝器，通過兩次換熱，煙氣中的過熱水蒸氣因凝結(jié)而放出汽化潛熱，使排煙溫度降低到較低溫度，達(dá)到充分回收煙氣中的熱能的目的。

冷凝式真空加熱爐，將真空加熱爐與余熱回收裝置結(jié)合在一起，利用余熱回收技術(shù)，大幅度降低排煙溫度，回收利用高溫?zé)煔庵械钠瘽摕岷惋@熱，提高加熱爐熱效率。

圖2 冷凝式真空加熱爐煙氣回收利用流程示意圖

2.3 冷凝式真空加熱爐工藝流程

目前有2臺冷凝式真空加熱爐應(yīng)用在第三采油廠饒陽采油工區(qū)楚二轉(zhuǎn)油站，用于更換爐管腐蝕穿孔的管式加熱爐。更換后的冷凝式真空加熱爐設(shè)計熱負(fù)荷與原加熱爐相同，均為2330kW，設(shè)計熱效率有了較大幅度提升，由87%提高到96%。

楚二轉(zhuǎn)油站熱水循環(huán)工藝流程是：熱回水罐→熱水泵→冷凝式真空加熱爐→熱水閥組→集油干線伴熱熱水管線→計量總機關(guān)閥組→單井伴熱熱水管線→單井井口→單井伴熱回水管線→計量總機關(guān)閥組→集油干線伴熱回水管線→熱水閥組→熱回水罐。

冷凝式真空加熱爐的主要作用是為原油集輸系統(tǒng)伴熱循環(huán)水升溫，熱回水罐的水經(jīng)由熱水泵進入加熱爐，一般進爐溫度65～70℃，預(yù)計熱水出爐溫度維持在85～90℃。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

楚二轉(zhuǎn)油站2臺冷凝式真空加熱爐安裝投產(chǎn)后，二次風(fēng)換熱后溫度均達(dá)到45℃以上，煙囪排煙溫度由原來的246.9℃和248.6℃，降低到50～70℃，分別降低196.9℃和178.6℃。實驗證明排煙溫度每升高15～20℃，加熱爐熱效率下降約1%，經(jīng)節(jié)能監(jiān)測部門現(xiàn)場監(jiān)測，2臺加熱爐熱效率分別達(dá)到了92.6%和93.7%，與原加熱爐的78.3%和78.9%相比，分別提高了14.3%和14.8%，平均提高14.55%，過?？諝庀禂?shù)也由原來的2.9降低到1.29。

由于增加了煙氣余熱回收裝置，對加熱爐所排放煙氣中的煙塵起到滯留作用，一部分煙塵沉積在換熱管中，減少了煙塵隨煙囪排放量。

根據(jù)1月份運行數(shù)據(jù)，該月計劃使用燃料油186t，實際使用燃料油146.4t，節(jié)約燃料油39.6t，預(yù)計單臺加熱爐一年可節(jié)約燃料油475.2t。按照原油價格2300元/t計算，預(yù)計2年可收回投資，處于合理范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

通過冷凝式真空加熱爐的現(xiàn)場應(yīng)用，顯著降低了加熱爐的排煙溫度，過?？諝庀禂?shù)控制在合理范圍之內(nèi)，大幅提高了加熱爐熱效率，較好地適應(yīng)了當(dāng)前節(jié)能減排提高經(jīng)濟效益的大環(huán)境，具有很好的推廣價值。

[1]油氣技術(shù)手冊編寫組. 油田油氣集輸設(shè)計技術(shù)手冊[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1994：596-613.

[2]杜立秋. 加熱爐余熱回收的可行性分析[J]. 黑龍江科技信息，2009(20)：29.

[3]黃雙，康強利，劉新軒，等. 板式空氣預(yù)熱器在芳烴加熱爐的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備，2005，34(02)：57-58.

[4]周建新，宋秉棠，陳韶范，等.板式空氣預(yù)熱器的推廣應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備，2007，36(01)：68-70.

[5]解紅軍，余績慶，劉富余. 加熱爐余熱回收技術(shù)綜述[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計，2011，22(06)：36-39.