定向吸熱膜材在真空相變加熱爐的應用

文_汪耀華 喬玖春 楊迪

1 中石油長慶油田分公司第十一采油廠 2 中石油長慶油田分公司第四采油廠 3 中石油吉林油田分公司吉松質量技術

油田在原油生產過程中，對油井生產出的液體所采用的儲存、運輸、油水分離、氣液分離等工藝，需要產出液體或原油保持在一定溫度，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能力大和連續加熱的能力。

1 改造需求說明

在日常的正常生產過程中，大部分加熱爐都要常年24h不間斷運行，是油田生產過程中第一大能源消耗體。為了降低能源消耗、降低生產成本，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 真空相變加熱爐的技術特點

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浪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，蒸汽沸騰，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，因傳熱介質（水或導熱液）產生的蒸汽溫度降低而冷凝后，在重力的作用下落回原位，再進行加熱而轉變為蒸汽。如此連續相變循環，傳熱介質（水或導熱液）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。因此，真空相變加熱爐與普通加熱爐相比能耗低、熱效率高，自動化程度高。

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5a以上運行后（清灰除垢以后），熱效率也會比初裝時的原始設計熱效率明顯降低。其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 真空相變加熱爐的運行現狀

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%；平均使用壽命達到7a以上，最長使用達到10a，18臺真空相變加熱爐已經生產運行7a以上（含7年）。依據《油田生產系統節能監測規范》和《石油工業用加熱爐熱工測定》等標準， 對我廠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，實際平均熱效率為83.87%，而平均設計額定熱效率90.34%，比平均設計額定熱效率低6.47%；平均排煙溫度191℃，其中孟一聯1#、鎮二聯和鎮二聯等7臺加熱爐排煙溫度均超200℃，占比63.6%；經節能監測綜合評價8臺加熱爐節能評價不合格，占比72.7%。

2 改造實施后效果

2.1 節能改造后的運行情況

11臺真空相變加熱爐進行原始工況條件下的熱效率測試后，為降低排煙溫度，提升熱效率和節能率，我們編制了加熱爐提效措施，根據提效措施針對真空相變加熱爐采取了吸熱體（水冷壁）表面誕敷定向吸熱膜材技術措施。經過5個月運行后，對應用吸熱體（水冷壁）表面誕敷定向吸熱膜材技術的真空相變加熱爐使用情況進行了熱工監測。經監測，11臺真空相變加熱爐平均排煙溫度從191℃降至149.1℃，下降了41.9℃；平均排煙處過量空氣系數從1.53降至1.34，下降了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%。

2.2 節能改造后的效果

2019年為提升加熱爐熱效率和加溫效率，對11臺真空相變加熱爐進行了盤管清垢，爐體大修改造等技改造10臺次，投入資金120.86萬元，經技改后，加熱爐熱效率和加溫效率提升不明顯。經過2020年對真空相變加熱爐采用在吸熱體表面誕敷定向吸熱膜材技術后，排煙溫度、剩余空氣系數、爐體外表溫度、熱效率、節能率等五項考核技術指標合格率均達到100%，而且僅運行5個月節約天然氣折合標準煤459.37t，折合人民幣45萬元，11臺真空相變加熱爐投入資金53.35萬元，預計投入資金半年內收回成本，詳細的對比測試數據見節能量計算結果匯總(表1)。

表1 節能量計算結果匯總表

3 定向吸熱膜材的節能技術原理

3.1 定向吸熱，提高熱能吸收效率

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（水冷壁）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。

3.2 減少灰垢，保護環境

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。

3.3 抗磨抗氧化，延長真空相變加熱爐爐膛內的吸熱體（水冷壁）的使用壽命

在真空相變加熱爐爐膛內的吸熱體表面（水冷壁）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。

4 社會效益

根據《全國污染物排放標準》，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， 11臺真空相變加熱爐運行5個月，節能459.37tce，減少向大氣排放CO21204t、SO23905kg、NOX3399kg。