提高加熱爐運行效率方法研究

曲照濤（大慶石油管理局有限公司技術(shù)監(jiān)督中心）

1 現(xiàn)狀

加熱爐是油氣田集輸工藝中廣泛使用的設(shè)備。現(xiàn)在油田主要在用加熱爐按其結(jié)構(gòu)可分為火筒爐、管式爐和真空加熱爐。目前，大慶油田在運行的加熱爐2000多臺，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，加熱爐過剩空氣系數(shù)較大，主要原因：一部分加熱爐在5月—10月處于低負荷運行狀態(tài)，一部分加熱爐處于烘爐狀態(tài)，在以上工作狀態(tài)下加熱爐負荷率較低，排煙溫度偏低，爐體散熱熱損失較大，加熱爐熱效率偏低。加熱爐熱效率是評定加熱爐經(jīng)濟性的主要指標之一，熱效率的高低可以反映出加熱爐對燃料有效利用的程度。油田加熱爐通常應(yīng)用正平衡法和反平衡法對加熱爐熱效率進行測試[1]。

2 加熱爐運行存在問題

2.1 加熱爐送風系統(tǒng)

由于燃料的成分以及加熱爐的負荷隨季節(jié)的變化而發(fā)生改變，加熱爐燃燒所需進氣量也相應(yīng)發(fā)生變化，燃燒器廠家第一次安裝調(diào)試后，進氣量很少再隨實際燃氣量的變化而進行再次調(diào)整。現(xiàn)場操作人員不能根據(jù)加熱爐運行狀態(tài)的改變及時進行進氣量調(diào)節(jié)，就會導(dǎo)致加熱爐的運行熱效率下降，造成燃料的浪費，增加運行成本。當加熱爐進氣量過大時，會將一部分熱量直接吹入排煙通道，致使排煙溫度升高。

2.2 負荷率對加熱爐效率的影響

加熱爐的散熱損失主要取決于加熱爐的爐體散熱面積、爐體保溫層和運行負荷率。其運行負荷率是指加熱爐的實際運行功率與設(shè)計額定功率的比值。由于加熱爐的負荷率隨季節(jié)變化的而改變，冬天時加熱爐的負荷較大，而夏天時加熱爐的負荷較小。夏季溫度較高，大部分原油冷集輸，轉(zhuǎn)油站加熱爐少部分運行就能滿足生產(chǎn)的要求，但為了避免加熱爐長時間停運時會導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)構(gòu)及工藝管線腐蝕生銹，所以轉(zhuǎn)油站相同作用加熱爐全部運行，進而導(dǎo)致每臺加熱爐的負荷較低，加熱爐的散熱損失較大，熱效率更低。現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)也驗證了這種情況（圖1）。

圖1 加熱爐不同負荷率下熱效率

根據(jù)圖1分析，隨著加熱爐負荷的增加，加熱爐的效率也增加。所以提高負荷運行有利于提高加熱爐的效率。

2.3 排煙溫度的影響

1）加熱爐傳熱面積灰結(jié)垢是影響加熱爐安全、穩(wěn)定、高效運行的主要因素，當傳熱面積灰結(jié)垢時，它所造成的負面影響將是持久并遞增的。造成受熱面積灰結(jié)垢的主要因素有：天然氣組分硫含量較高；燃料未爐膛內(nèi)充分燃燒。加熱爐長時間運行時，導(dǎo)致受熱面表面垢越來越厚（未及時清理），被加熱形同介質(zhì)的溫度時能被介質(zhì)吸收有效熱量隨其變化。以上因素會導(dǎo)致排煙溫度升高，排煙熱損失增大，導(dǎo)致加熱爐運行效率降低。由于加熱爐煙道口受熱面表面結(jié)垢加劇，導(dǎo)致加熱爐煙道口變小，煙氣流動阻力將增大，當加熱爐處于較高負荷運行時，不僅會造成燃燒條件的惡化，燃燒不充分，又會使加熱爐處于微正壓的工作狀態(tài)，增加安全隱患[2-3]。

2）部分加熱爐的爐膛較短，同時燃燒火焰長度過大，致使煙氣在爐膛內(nèi)停留時間較短，熱量不能有效利用而直接從排煙通道排出，從而導(dǎo)致排煙溫度上升。

3）由于現(xiàn)場生產(chǎn)需要，加熱爐的處理量增加，出口溫度要求較高，當大火加熱時火焰強度大，火焰熱量未利用就從排煙通道排出，從而導(dǎo)致排煙溫度上升（圖2）。

圖2 加熱爐不同排煙溫度下熱效率

根據(jù)圖2分析，當加熱爐負荷一定時，加熱爐的效率隨著排煙溫度的升高，急劇下降。

2.4 過剩空氣系數(shù)的影響

1）在加熱爐的實際運行中，燃料燃燒受熱面的傳熱過程非常復(fù)雜。過剩空氣系數(shù)(α)的變化對加熱爐的排煙熱損失(q2)、氣體未完全燃燒熱損失(q3)和熱效率都有很大的影響。同時根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，繪制了加熱爐排煙熱損失與過剩空氣系數(shù)的關(guān)系曲線（圖3），氣體不完全燃燒熱損失與過剩空氣系數(shù)的關(guān)系曲線（圖4）。

從圖3可以看出，過剩空氣系數(shù)越大，排煙熱損失就越大，排煙熱損失明顯帶走大量熱隨煙氣排放至大氣。從圖4可以看出，當過剩空氣系數(shù)在1.2～1.77，燃料燃燒充分，氣體不完全燃燒熱損失近似為0。當α大于1.77時，隨其增大，q3逐漸增大。主要原因一方面是過剩空氣系數(shù)增大，爐膛溫度下降導(dǎo)致CO不能完全燃燒，另一方面由于α的增大，煙氣在爐膛內(nèi)的流速加快，燃料在爐膛內(nèi)未能充分燃燒就被排出，致使q3增大；當a小于1.2時，隨著α的減少，燃料燃燒所需空氣量不足，造成了q3的增加。同時也就說明了當煙氣成分分析儀O2含量小于3時，CO的含量容易超標的原因[4]。

圖3 排煙熱損失與過剩空氣系數(shù)關(guān)系曲線

圖4 氣體不完全燃燒熱損失與過剩空氣系數(shù)關(guān)系曲線

2）過剩空氣系數(shù)對加熱爐爐管腐蝕及煙道腐蝕的影響主要分為兩種情況：一是金屬氧化腐蝕和硫化物露點腐蝕。當煙氣中氧含量過高時，煙氣側(cè)高溫爐管表面以及煙道表面形成一層脆性的金屬氧化物薄膜。受熱時由于這層金屬氧化物和本體的熱膨脹系數(shù)不同，容易導(dǎo)致薄膜脫落。氧化薄膜層脫落后，本體金屬裸露，繼續(xù)被氧化、脫落，最終導(dǎo)致爐管及煙道減薄甚至穿漏。二是天然氣完全燃燒時生成的煙氣中有CO2、SO2、氮氧化物及水蒸氣等，其中的SO2與O2反應(yīng)生成SO3，SO3和煙氣中的水蒸氣進一步結(jié)合生成硫酸以及亞硫酸蒸汽，硫酸及亞硫酸蒸汽遇到低溫時就會冷凝成液體，即所謂結(jié)露現(xiàn)象，這時的溫度稱為“露點”溫度。凝結(jié)在爐管表面的液態(tài)硫酸及亞硫酸不僅使爐管金屬表面遭受嚴重的腐蝕，而且還會黏附煙灰，使煙氣流通通道面積減少，加大煙氣流動阻力；同時也使得爐管外的結(jié)垢熱阻增大，煙氣和被加熱介質(zhì)的換熱受到影響，加熱爐效率下降。煙氣露點的高低與天然氣的含硫量、過剩空氣系數(shù)、煙氣中水蒸氣含量等因數(shù)有關(guān)[5]。在其它條件一定時，過剩空氣系數(shù)越大，即煙氣中含氧量越大，生成的SO3就越多，相應(yīng)煙氣露點就越高，對爐管金屬腐蝕的影響就越大（圖5）。

圖5 加熱爐不同過剩空氣系數(shù)下熱效率

根據(jù)圖5分析，當加熱爐負荷、排煙溫度一定時，加熱爐的效率隨著空氣系數(shù)的增加而降低。

3 結(jié)論

1）合理調(diào)整加熱爐的負荷，負荷越高，加熱爐效率越高，夏季時根據(jù)現(xiàn)場需要合理啟停加熱爐數(shù)量，提高加熱爐效率。

2）合理控制排煙溫度，進而提高加熱爐效率。

3）合理控制加熱爐的空氣進入量，降低空氣系數(shù)，進而提高加熱爐效率。