氣田加熱爐節能提效技術研究

宮立明（大慶油田有限責任公司采氣分公司（儲氣庫分公司））

隨著氣田開發不斷深入，現有氣田生產工藝耗能節點、運行參數等隨生產負荷改變出現較大變化，耗能設備負荷率、熱效率降低，造成能量利用率低、能耗偏高，氣田能耗管理難度逐漸加大，生產管理成本增加。氣田主要消耗能源為天然氣，占能源消耗總量的90%以上，其中又以加熱爐消耗天然氣量最多，占天然氣消耗量的80%。因此有必要開展進行加熱爐能效評價、節能降耗技術研究，開展加熱爐提效研究，提高天然氣利用水平，挖掘節能潛力，降低氣田綜合能耗，實現氣田節能減排、經濟開發[1]。

1 氣田加熱爐存在的問題

某氣田在用加熱爐830臺，主要有水套爐、熱媒爐、相變爐等。其中：使用15 a以上的有259臺（占總數的31.24%），使用10 a以上的有383臺（占總數的46.11%）；而集團公司使用年限超過使用壽命的加熱爐有35.0%左右。使用年限長的加熱爐存在換熱面結垢嚴重，運行熱效率遠低于投產時熱效率等問題，部分加熱爐爐效只有60%左右，主要原因是隨著生產工況變化，加熱爐實際運行工況與加熱爐滿負荷工況距離較大，運行負荷率低，導致熱效率低[2-3]。

1.1 加熱爐應用存在的問題

通過對氣田379臺加熱爐進行節能監測評價，綜合不合格64臺，占監測總數量的17.15%。

其中：排煙溫度不合格33臺，占總數量的8.71%；空氣系數不合格28臺，占總數量的7.39%；熱效率不合格28臺，占總數量的7.39%。

不合格加熱爐原因：有10臺加熱爐排煙溫度和熱效率不合格，加熱爐熱效率不合格主要原因是排煙溫度過高，導致排煙熱損失過大；有13臺加熱爐空氣系數和熱效率不合格，影響這些加熱爐熱效率的主要原因是空氣系數過大，導致氣體不完全燃燒損失和排煙熱損失過大；有9臺加熱爐排煙溫度和空氣系數不合格，影響這些加熱爐排煙溫度過高是配風量過大導致。其中有12臺加熱爐單項熱效率指標不合格，經分析這些加熱爐的運行熱負荷率平均為29.26%，遠低于額定熱負荷，這些加熱爐熱效率過低是由于熱負荷率較低導致。

通過現場檢查發現氣田加熱爐運行過程中存在以下問題：被加熱天然氣成分復雜、潔凈度差。在氣田生產過程中，加熱爐存在內部換熱面淤積、結垢問題，換熱量大幅降低，運行指標差；燃燒器簡易，從技術上無法精細調節配風；產量遞減、參數調整等工況變化或季節更替，造成負荷率較低；加熱爐都是安裝在露天環境，生產負荷狀況隨時變化，很難做到現場參數時時調整。

1.2 存在問題分析及建議

排煙溫度不合格分析及建議。排煙熱損失主要受排煙溫度和空氣系數的影響，是空氣系數和排煙溫度的函數。在空氣系數一定的情況下，排煙熱損失與排煙溫度呈現二次函數關系，排煙溫度越高，排煙熱損失越大；在排煙溫度一定的條件下，排煙熱損失與空氣系數是一次函數關系，空氣系數越大，排煙熱損失越大[4]?？諝庀禂蹬c排煙熱損失關系見圖1。

隨著空氣系數的增加，排煙熱損失增加的速率大于空氣系數增加的速率，排煙溫度越高越明顯。當排煙溫度一定時，排煙熱損失與空氣系數大致呈線性關系。排煙溫度降低20～30℃，熱效率提高1%。合理的排煙溫度為：高出露點溫度20～30℃。

圖1 空氣系數與排煙熱損失關系Fig.1 Relationship between air coefficient and heat loss of exhaust smoke

監測的加熱爐中，共有33臺加熱爐排煙溫度不合格，占總測試數量的9.5%。其中排煙溫度值與指標值（限定值）差10℃以內的13臺，該部分加熱爐調整運行參數，排煙溫度就達到合格；其中排煙溫度值與指標值（限定值）差大于50℃以內的6臺，該部分加熱爐是節能分析的重點對象。

因此該部分加熱爐需要注意排煙溫度的控制，從以下方面分析：

1）加熱爐運行時間過長，爐內有結垢現象，導致傳熱系數下降，熱量不能有效被加熱介質吸收。需定期對加熱爐對流段進行清灰、清垢等管理工作。對于結垢比較嚴重的加熱爐，可安裝刮板機械式自動除防垢加熱裝置、電磁除垢裝置、電脈沖除垢裝置等。

2）對于排煙溫度過高的加熱爐可以采用煙氣余熱回收技術，如板式空氣預熱器等。通過對煙氣余熱進行回收用于預熱進爐空氣，空氣溫度每提高15～20℃，加熱爐熱效率提高約一個百分點。但排煙溫度也不宜過低（不低于露點），否則易在加熱爐尾部產生滴水現象，產生受熱面腐蝕問題[5-6]。

3）采用遠紅外耐高溫輻射涂料。將涂料涂刷在加熱爐火管內壁，受熱可發射遠紅外線，將熱能轉換成遠紅外輻射能，穿透管壁直接作用于被加熱介質，使其迅速升溫，從而提高傳熱效果，降低排煙溫度；還可將涂料涂刷在管式加熱爐內壁上，通過涂料涂層改善爐內熱交換、提高爐膛內溫度場強及均勻性、使燃料燃燒更充分，提高加熱爐熱效率，削弱爐墻表面傳熱，提高耐火材料性能，延長爐體內襯使用年限[7]。

2 空氣系數不合格分析及建議

監測的加熱爐中，空氣系數不合格28臺，占總監測數量的7.39%。針對空氣系數不合格問題，從以下方面分析：

1）檢查現用配風裝置，檢驗配風效果，針對加熱爐的類型和參數，合理選擇配風比，也可以采用調節靈活、配風精確合理、抗干擾性能好的產品。如采用全自動高效燃燒器，可減少運行時出現燃燒空氣不足或過剩現象，提高燃燒效率[8]。還可以采用膜法富氧燃燒裝置，利用空氣中氧氣和氮氣通過富氧膜時滲透率不同，在壓差驅動下得到富氧空氣。該裝置把膜法富氧發生器與加熱爐燃燒器結合在一起，提高了火焰溫度和熱量利用率，降低了空氣過量系數，減少了排煙損失[9]。

2）定期清理火嘴，加熱爐燃燒器火嘴的工作條件比較惡劣，長期受爐膛高溫輻射和火焰沖刷，容易造成變形和損壞。火嘴長時間使用會結垢、結焦，從而引起燃燒不穩定的現象，燃燒效率降低。

3 加熱爐節能技改措施

加熱爐運行效率的高低直接影響氣田總的能耗水平及節能減排目標的實現。采取一定的節能技改措施使加熱爐各項指標達到合格時，可實現的節能目的。主要是從降低排煙溫度及空氣系數方面進行加熱爐節能改造，針對加熱爐運行過程中存在的問題，主要采取以下措施：

1）智能燃燒控制技術。氣田井口及計量站加熱爐大量采用自然引風（大氣）式燃燒器，結構簡單，燃氣控制及調風控制采用人工手動調節閥門控制；此工藝不能準確調節空燃比，在點火過程中，燃氣空氣配比不當，存在閃爆風險。配風的過量空氣系數直接影響排煙熱損失和熱效率：過量空氣系數過大，爐膛溫度下降，鼓風機電耗增加、排煙體積和排煙熱損失增加，鍋爐效率下降；過量空氣系數過小，燃料不能完全燃燒。統計表明，過量空氣系數每增加0.1～0.2，鍋爐效率降低0.2%～0.5%。

采用智能燃燒控制技術可實現燃料與配風分別獨立控制，通過變頻控制風機運行，控制部分均采用數字化控制，精度高。同時對燃燒尾氣氧含量進行監測，并實時把測量值反饋給控制器，控制器實時根據測量結果與理想燃燒曲線進行對比，根據對比的結果進行實時優化空氣/燃料的輸出配比，對影響燃燒的各種因素進行有效補償，實現對空氣系數的精確控制和動態調整，避免燃料氣壓力波動而影響配比控制。應用該技術后熱效率約提升4.4%，靜態投資回收期1.6 a左右，萬元投資節能量約6.7 tce/萬元（包括燃燒器）。

2）板式空氣預熱器。其原理是利用板式空氣預熱器回收煙氣余熱，提高助燃空氣的溫度。板式空氣預熱器由許多相互平行的板單元組成，煙氣與空氣在板間交錯流動換熱[10]。板單元可以是平板，也可以是沖壓成各種形狀的波紋板，板材質可根據煙氣溫度及煙氣腐蝕情況進行選擇。實施該技術后熱效率大約提升4%，萬元投資節能量約6.6 tce/萬元，投資回收期1 a左右，有效使用年限8 a左右。

3）冷凝式煙氣余熱回收技術。冷凝式煙氣余熱回收器是引進國外先進的煙氣余熱回收技術，該產品安裝在加熱爐尾部煙道上，回收煙氣顯熱及部分潛熱，加熱原油、天然氣、水等工質，將排煙溫度降至90℃以下，提高加熱爐效率。冷凝煙氣余熱回收器被國家質監總局列為首批重點推薦的節能產品。關鍵技術：采用特殊的流場設計，低阻力結構，不需要另外增加引風機等輔機，不需要增加額外的能耗。應用此技術后，熱效率約提升9%，靜態投資回收期2.4 a左右，萬元投資節能量約2.8 tce/萬元，有效使用年限10 a左右。

4）無機傳熱技術。無機傳熱技術是由放在密封的真空容器中的若干種無機鹽配制成無機材料，無機鹽接觸到熱量激發出的微粒進行高速運動并相互碰撞，實現快速、高效傳熱，實現極低熱量損耗及傳遞溫度損失低。無機傳熱技術是傳統熱管技術升級，制成的高效熱管可有效提高加熱爐換熱效率。應用該技術后，熱效率平均提升約5%，靜態投資回收期5.2 a左右，萬元投資節能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限6 a左右。

截止到2020年，通過對加熱爐進行節能技術改造及采用措施，共減少天然氣消耗1 590.3×104m2，實現節能21 150.99 t標煤，減少二氧化碳排放34 385.31 t，加熱爐節能技術改造及應用效果情況見表1。

4 結論

通過對加熱爐進行現場監測及試驗研究，對加熱爐排煙溫度和空氣系數不合格的原因進行了分析，針對主要影響因素采用有效節能技術手段可有效提升加熱爐熱效率，解決設備低效問題，實現節能減排；采用智能燃燒控制技術可實現燃料與配風分別獨立控制，通過變頻控制風機運行，控制部分均采用數字化控制，精度高，應用該技術后熱效率約提升4.4%，靜態投資回收期1.6 a左右，萬元投資節能量約6.7 tce/萬元（包括燃燒器）；利用板式空氣預熱器回收煙氣余熱，提高助燃空氣的溫度。實施該技術后熱效率大約提升4%，萬元投資節能量約6.6 tce/萬元，投資回收期1 a左右，有效使用年限8 a左右；利用冷凝式煙氣余熱回收技術熱效率約提升9%，靜態投資回收期2.4 a左右，萬元投資節能量約2.8 tce/萬元，有效使用年限10 a左右；通過無機傳熱技術熱效率平均提升約5%，靜態投資回收期5.2 a左右，萬元投資節能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限6 a左右。

表1 加熱爐節能技術改造及應用效果情況
Tab.1 Energy-saving technical transformation of heating furnace and its application results

項目名稱智能燃燒控制技術板式空氣預熱器冷凝式煙氣余熱回收技術無機傳熱技術合計改造數量/套40 35 45 30 150效率提高/%4.4 495—年實施后節能量104 m3 395.17 359.28 541.23 294.62 1 590.30折標煤/t 5 255.76 4 778.42 7 198.36 3 918.45 21 150.99二氧化碳減排量/t 8 544.33 7 768.32 11 702.42 6 370.24 34 385.31

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