定向吸熱膜材在真空相變加熱爐的應用

汪耀華 喬玖春 楊迪 韓一龍

（1.長慶油田分公司第十一采油廠；2.長慶油田分公司第四采油廠；3.吉林油田分公司吉松質量技術檢測有限責任公司；4.吉林省光大節能技術有限責任公司）

在原油生產過程中，對于油井產出液所采用的儲存、運輸、油水分離、氣液分離等工藝，需要產出液或原油保持一定的溫度，才能不發生凝結。根據管道原油加熱溫度的相關標準規定，對油水混合液的加熱溫度不應超過原油初始沸點，通常要加熱至40 ～50 ℃來增加原油（產出混合液）的流動性能。因此，要求加熱爐具有對液體處理和連續加熱的工作能力。

1 真空相變加熱爐現狀

在日常的生產過程中，大部分加熱爐需要24 h不間斷運行，由此消耗大量的能源，所以加熱爐系統是油田生產過程中第一大能源消耗體。為了降低能源消耗和減少生產成本，國內各個油田早在20 世紀90年代就已經開始使用真空相變加熱爐。

1.1 技術特點及缺陷

真空相變加熱爐系統主要由爐體部分和燃燒器等其他輔助設備組成。其工作原理是：燃料燃燒后產生的熱量在爐膛內進行熱傳導，使爐膛吸熱體真空膽內處于負壓狀態的液態介質（水或導熱液）吸收熱能，在一定的溫度條件下產生相變轉為蒸汽，再通過換熱器傳熱給被加熱介質（油或混合液）。與被加熱工質產生熱交換后，使得傳熱介質（水或導熱液）因溫度的降低而冷凝，并在重力的作用下落回原位，接著再進行加熱而轉變為蒸汽。如此連續相變循環，傳熱介質通過蒸發-冷凝的相變過程，將熱量傳導到被加熱工質。當傳遞熱能過程達到一種平衡狀態時，可以保持在負壓狀態低于當地大氣壓力條件下實現相變[1]。因此，真空相變加熱爐與普通加熱爐相比，具有能耗低、熱效率高、自動化程度高的優勢[2]。

但是，經過十幾年的油田生產運行表明，真空相變加熱爐經過5年以上運行后，其熱效率比初裝時的原始設計熱效率明顯要低。主要原因是：真空相變加熱爐爐膛內的吸熱體表面由于長期運行形成的氧化膜層逐年加重，阻熱能力不斷加強，影響了真空相變加熱爐的熱交換水平。

1.2 運行情況

長慶油田第十一采油廠現有各類加熱爐334 臺，其中真空相變加熱爐30 臺，占比9%。其平均使用壽命超過7 年，最長使用壽命達到10 年，18 臺真空相變加熱爐已經生產運行7 年以上（含7年）。依據國家標準GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》和石油行業標準SY/T 6381《石油工業用加熱爐熱工測定》等標準， 對該廠11 臺熱效率偏低的真空相變加熱爐進行了熱工監測。經監測發現，實際平均熱效率為83.87%，而平均設計額定熱效率為90.34%，比平均設計額定熱效率低6.47%；平均排煙溫度為191 ℃，其中孟一聯1#、鎮一聯1#和鎮二聯1#、2#、3#加熱爐的排煙溫度均超200 ℃，占比45.45%。根據節能監測綜合評價，8 臺加熱爐節能評價不合格，占比72.7%。節能改造前熱工測試結果[2-7]見表1。

2 改造效果

2.1 運行情況

對11 臺真空相變加熱爐進行了原始工況條件下的熱效率測試。為了降低排煙溫度、提升熱效率和節能率，針對11 臺加熱爐排煙溫度、空氣系數不達標和熱效率低的原因，制定了加熱爐提效措施。根據提效措施，在真空相變加熱爐吸熱體（水冷壁）表面采用了定向吸熱膜材技術。經過5個月運行后，對應用此技術的真空相變加熱爐進行了熱工監測。監測結果表明，11臺真空相變加熱爐平均排煙溫度從191 ℃降至149.1 ℃，下降41.9 ℃；平均排煙處過量空氣系數從1.53 降至1.34，下降0.19；平均熱效率從83.87%升至88.30%，上升4.43%；平均節能率達到5.24%。節能改造后熱工測試結果見表2[2-7]。

2.2 運行效果

為了提升加熱爐熱效率和加溫效率，2019年對11臺真空相變加熱爐進行了盤管清垢、爐體大修等技術改造10 臺次，投入資金120.86 萬元，但技改后加熱爐熱效率和加溫效率提升并不明顯。2020 年，在真空相變加熱爐吸熱體表面采用了定向吸熱膜材技術后，其排煙溫度、剩余空氣系數、爐體外表溫度、熱效率、節能率五項考核技術指標合格率均達到100%，而且僅運行5個月節約天然氣459.37 t（標煤），折合人民幣45萬元。11臺真空相變加熱爐投入資金為53.35 萬元，預計半年內收回成本。改造前后節能量計算結果匯總見表3，吸熱節能技術改造前后加熱爐吸熱體表面形態的對比情況見圖1、圖2。

表1 節能改造前熱工測試結果

表2 節能改造后熱工測試結果

圖1 吸熱節能技術改造前表面形態

圖2 吸熱節能技術改造后表面形態

3 定向吸熱膜材的技術原理及優點

1）定向吸熱。在真空相變加熱爐爐膛內的受熱體（水冷壁）表面誕敷定向吸熱膜材，當環境溫度達到200 ℃時，形成固化瓷膜。膜層在高溫熱源的作用下，在吸熱體（水冷壁）表面垂直于其切線方向產生的電磁波穿過吸熱體表面向被加熱介質直接輻射，使被加熱介質的每一個分子同時獲得能量，提高了被加熱介質的熱能吸收速率和熱能吸收效率，減少了排煙熱損失[8]。

2）減少灰垢。由于部分電磁波被折射爐膛，使爐膛的未燃燼的灰垢分子受到多次輻射而產生不規則運動，這就增加了燃料懸浮粒子在爐膛內的停留時間。在煙氣流漩渦分離作用下，細微燃料顆粒和飛灰甩回爐內，形成微爆實現二次燃燒，減少了真空相變加熱爐的化學熱損失和灰垢分子在爐膛內的吸熱體表面的吸附力，也減少飛灰逸出量，保護環境[9]。

3）抗磨抗氧化。在真空相變加熱爐爐膛內的吸熱體表面直接誕敷定向吸熱膜材。當環境溫度達到200 ℃時，定向吸熱膜材形成固化瓷膜，使真空相變加熱爐爐膛內的受熱體表面實現了全密閉保護，抗燃料和氣體沖磨、抗氧化，為設備的安全運行發揮重要的保護作用[10]。

4 效益分析

根據國家發改委提供的相關數據，消耗天然氣1 t（標煤）可向大氣排放CO2為2.62 t、SO2為8.5 kg、NOx 為7.4 kg。11 臺真空相變加熱爐運行5 個月，節約天然氣459.37 t （標煤），可以減少 向 大 氣 排 放CO2為1 204 t、SO2為3 905 kg、NOx 為3 399 kg。所以，在真空相變加熱爐爐膛內的吸熱體（水冷壁）表面誕敷一種定向吸熱膜材，可以減少向大氣排放大量的有毒有害物質，凈化空氣，保護環境，創造非常可觀的社會效益。

5 結論

真空相變加熱爐在油田生產過程中，經過長期運行，其爐膛內的吸熱體表面會形成氧化膜層，阻止熱傳遞和熱交換能力，使真空相變加熱爐的熱效率不同程度地下降而浪費燃料。在真空相變加熱爐爐膛內的吸熱體表面誕敷一種定向吸熱膜材，可以明顯提高吸熱體表面和被加熱介質的吸熱能力，提高燃料的燃燒效率，減少排煙熱損失和化學不完全燃燒熱損失，延長加熱爐的使用壽命，降低維修和維護成本，從而實現節能降耗、增效、保護環境的目的。