輕烴裝置純對流式加熱爐特點分析及性能優化

李云 李萍 （中國石油西南油氣田公司川中油氣礦）

1 加熱爐概況及作用

1.1 加熱爐概況

川內某輕烴裝置加熱爐由美國GTS 能源公司設計、生產，是一種全自動、純對流管式加熱爐，設計加熱天然氣流量14×104m3/d，入口溫度30 ℃，出口溫度287 ℃，入口壓力7.6 MPa，出口壓力6.89 MPa，額定負荷652 669 kcal/h，熱效率88%。煙氣出口溫度255 ℃，燃燒室溫度760 ℃，總換熱表面積231 m2。

1.2 加熱爐的作用

加熱爐是輕烴預分餾裝置使用過程中非常重要的設備之一，加熱爐轉化效率的高低直接關系設備的熱效率[1]。主要功能是對再生氣進行加熱，被加熱后的再生氣對分子篩吸附塔進行逆流熱吹再生，帶出分子篩中所吸收的水分，從而達到對分子篩再生的目的。加熱爐工藝流程圖見圖1。

圖1 加熱爐工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of heating furnace

2 工作原理及優缺點

2.1 工作原理

所謂對流是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。而流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱之為對流換熱。如果流體的流動是由于水泵、風機或其他壓差作用所造成的，稱為強制對流[2]。文中加熱爐采用的就是強制對流。加熱爐為臥式結構，爐體主要由三部分組成：燃燒段、對流傳熱段以及循環管段。加熱爐爐體結構見圖2。

圖2 加熱爐爐體結構Fig.2 Heating furnace structure

在燃燒段及對流傳熱段，利用美國麥克森公司生產的OVENPAK EB5 燃燒器產生短火焰，防止火焰直接與翅狀盤管接觸。燃料氣和空氣混合燃燒產生的高溫煙氣與循環氣混合后流向對流段的翅管，使工藝流體均勻的被加熱，同時使煙囪的煙道氣溫度低于315 ℃（315 ℃為煙道溫度聯鎖值），天然氣的燃點較高，約為650 ℃[3]，煙氣溫度遠遠低于自燃溫度；在循環管段，利用再循環風機將煙氣從煙道循環至燃燒段，對煙氣進行了二次利用。

2.2 優點

首先是取消了輻射管部分，因為沒有輻射管，從爐體尾部觀火孔無法觀察到爐管，但可以通過觀火孔上部的一個斜插式觀察孔觀察爐管情況。

帶翅片的爐管呈水平排列方式，一共6 行，每行6 根爐管，一共使用了36 根爐管，爐管外徑均為88.9 mm，壁厚均為7.62 mm，每根爐管長度為1.94 m，爐管材質采用了符合美國ASME SA-312（冷加工奧氏體不銹鋼焊接管和無縫管） 標準的TP316L。TP316L 是繼TP304L 之后，第二個得到廣泛應用的奧氏體不銹鋼。該材料比TP304L 具有更好的抗氯化物腐蝕能力，同時也具有良好的耐還原性介質和耐點蝕能力，該材料已經廣泛應用于化工換熱器管、電站鍋爐用管[4]。因為不使用輻射方式加熱，而只使用純對流方式對爐管內的天然氣進行加熱，所以火焰不直接接觸爐管，對流傳熱均勻地分布在爐管表面，從而最大限度地減少輻射傳熱對爐管的影響，避免了爐管因受熱不均產生較大應力而導致裂紋或破裂。

其次是采用了美國NYB 風機公司生產的再循環風機將煙氣體積總量的2/3 強制流回燃燒室，對煙氣余熱進行二次利用，彌補了傳統加熱爐將煙氣全部流出造成熱量損失的缺點。與自然通風式加熱爐相比，這一特點使煙道溫度降低到230～314 ℃（自然通風式加熱爐煙道溫度為500～556 ℃），同時將燃燒室溫度增加到760 ℃[5]（自然通風式加熱爐燃燒室溫度為360～420 ℃）。這一優點也是加熱爐提高自身熱效率最有效的方式。

最后是給爐管加上翅片，翅片結構示意圖見圖3，翅片參數見表1。

表1 翅片參數Tab.1 Fin parameter

圖3 翅片結構示意圖（側視）Fig.3 The structure of fin（side view）

由圖3 及表1 可知，爐管采用了整體型螺旋翅片，第一、二行翅片安裝位置最靠近燃燒室，溫度較高，因此采用了牌號為409 的鐵素體不銹鋼和較短的高度，以便提高翅片的耐熱沖擊強度并降低與后面幾排爐管的溫差；第四、五、六行翅片相對離燃燒室較遠，溫度較低，因此采用了碳鋼和較高的高度，以便降低整體構造費用并降低與前面幾排爐管的溫差。使用這種翅片具有如下優勢：

1） 傳熱效率高。翅片與基管連為一個整體，無接觸熱阻；翅片截面為梯形，與基管接觸面積大。

2）不易積灰。整體型螺旋翅片管翅片表面光滑，翅根光滑圓角過渡。

3）使用壽命長。軋制過程使金屬機械強度和表面硬度大幅提高，承壓能力和耐磨性能提升[6]。

2.3 缺點

由于系統需要再循環風機，因此結構上比其他直接將煙氣放空的輻射式加熱爐更加復雜，造價上也明顯高于單純的輻射式加熱爐。同時循環風機的穩定運行至關重要，一旦循環風機發生動平衡失效而導致震動加劇，必須停機檢修。

3 運行參數分析

加熱爐設計熱效率為88%，在實際使用過程中，計算熱效率為73.2%，未達到設計要求，造成了能源的浪費。

3.1 燃料氣量及負荷

燃料氣及負荷設計參數流程見圖4。設計入口燃料氣量為125.3 m3/h。而實際使用最大瞬時燃料氣量為100 m3/h，低于設計燃料氣量，燃料氣量的大小還與加熱爐負荷有關，當燃氣量增加時，介質吸收的熱量多，出口溫度上升，負荷率提高；當燃氣量減少時，介質吸收的熱量減少，出口溫度下降，負荷率降低。加熱爐運行負荷75%～100%效率比較高[7]。加熱爐的燃燒由燃燒器提供，通過連桿機構控制兩個自動閥門的開度來調節進爐的燃料氣和空氣的混合氣，當再生氣出口溫度高于設定值時，兩個閥門同步關小，反之則同步開大，當再生氣出口溫度約等于設定值時，燃氣閥門開度約保持在50%。設計天然氣加熱再生氣量為14×104m3/d，實際天然氣加熱再生氣量為10×104m3/d，負荷率為71.4%，表明運行負荷偏低。因為目前的再生氣量適合工藝要求，不需要調整，因此通過增加負荷來提高加熱爐效率的方法不可行。

圖4 燃料氣及負荷設計參數流程圖Fig.4 Design parameters of fuel gas volume and load

3.2 送風量

送風量是由送風風機功率、風機葉輪直徑及風機出口擋板開度決定，風機功率為4 kW，驅動電動機為非變頻電動機，且未配置變頻器，因此功率無法進行主動改變；風機葉輪直徑也是一個固定值；唯一可變的是擋板開度，手動擋板開度出廠默認值是100%，在實際使用過程中一直保持默認開度。送風機性能曲線圖見圖5，紅色圓圈處為最佳工作點，此點對應的風量為2 725 m3/h，風壓為2.48 kPa，這兩個參數完全對應圖4 中關于送風機的設計參數，因此送風機只要按照風機性能曲線參數運行，便會提高熱效率。

圖5 送風機性能曲線圖Fig.5 Blower performance curve

最佳工作點對應的燃料氣量為125.3 m3/h，配風量為2 726 m3/h，因此實際空燃比為2 726∶125.3。

熱量的產生都是通過燃料燃燒為系統提供。在實際燃燒的過程中不可能準確提供燃料燃燒所需的精確空氣量，通常通入超過需求的空氣（理論空氣）來保證為燃料燃燒提供足量的空氣，而過量的空氣和理論空氣的比值就是過剩空氣系數α[8]。依據SHJ36—1991《石油化工管式爐設計規范》，當燃燒器類型為燃氣，且采用強制通風時，過剩空氣系數為1.15。因此將1.15 作為加熱爐的過剩空氣系數，計算最佳工作點的理論配風量及理論空燃比為：2 726∶1.15 和2 370∶125.3。

當前工況下，當被加熱的再生氣達到設定溫度值并穩定時，對應燃料氣量為80 m3/h，依據實際空燃比及理論空燃比，計算當前工況的實際配風量為1 740 m3/h，理論配風量為1 512.8 m3/h；

運行時測出送風機風壓為2.70 kPa，對照圖5，查出對應的風量約為1 996 m3/h。計算過剩空氣系數約為1.32，大于標準值（1.15），因此過剩空氣系數偏大。過剩空氣系數太大，冷空氣會降低爐膛溫度，使燃燒效果變差。過剩空氣系數每增加0.1，排煙損失就要增加0.5%左右，熱效率將減少0.5%左右。過剩空氣系數過高，排煙損失增加，熱效率降低[9]。因此減少送風量有助于降低過剩空氣系數α，從而提高熱效率，同時延長爐管壽命。對照圖5，查出所需實際配風量1 740 m3/h 對應的送風機風壓為3.08 kPa，這為下一步根據風壓來調整送風量提供了依據。

3.3 循環風量及煙道溫度

循環風量是由再循環風機功率、再循環風機葉輪直徑及再循環風機出口擋板開度決定，再循環風機功率為11 kW，驅動電動機為非變頻電動機，且未配置變頻器，因此功率無法進行主動改變；再循環風機葉輪直徑也是一個固定值；唯一可變的是再循環風機出口擋板開度。這個開度由燃燒控制系統自動控制，當加熱爐點火成功時，擋板開度由0%變為100%，此時再循環風管道阻力幾乎為0，產生的煙氣量約70%全部返回至燃燒室；當停爐時，擋板開度由100%變為0%。

如果再循環風機出口擋板開度未全開，此時煙氣循環到燃燒室的氣量減少，多余的煙氣在煙道聚集，導致煙道溫度增高；根據加熱爐出口溫度，在中控室查看運行時煙道溫度歷史趨勢，為310 ℃，而設計煙氣出口溫度為251 ℃，因此煙氣溫度超高，推斷出再循環風機出口擋板開度未全開，導致進入燃燒室的二次利用煙氣減少，此時燃燒室溫度也對應減少，燃燒室溫度降低將導致被加熱的天然氣溫度降低。因此減少煙氣排放量，增大循環風量有助于提高熱效率。

3.4 爐體表面溫度

如果爐體密封不嚴，會導致高溫氣體帶走熱量，從而導致熱效率下降，依據SY/T 6275—2007《油田生產系統節能監測規范》，燃氣加熱爐爐體外表面溫度應不高于50 ℃，對爐體表面溫度進行檢查，對高于50 ℃的部位，應進行堵漏[10]。

4 優化措施及效果檢查

4.1 優化措施

1）通過減少送風量來降低過剩空氣系數。手動關小風門擋板，同時觀察外置壓力計讀數，當壓力變化至約3.08 kPa 時，將風門固定。

2）通過增加循環風量來降低煙道溫度。循環風門的開度是由美國Rotork 電動執行機構來控制的，電動執行機構的動作由燃燒安全控制器控制。檢查Rotork 電動執行機構，發現產生了零位漂移，原100%的開度實際只有88%，對電動執行機構零點及量程重新調校，確保100%的開度真實有效。

3）通過堵漏來降低爐體表面溫度。對加熱爐所有法蘭連接處及焊縫處進行溫度檢測，一共發現三處溫度高于50 ℃，分別是下部人孔處、循環風機入口法蘭連接處、循環風機出口法蘭連接處，對這三個漏點重新更換高溫石棉墊，并對縫隙處采用石棉繩堵漏。

4.2 效果檢查

在分子篩塔進行熱吹再生時，工藝條件不改變，即再生氣量保持10×104m3/d，加熱爐出口溫度設置值保持255 ℃不變，對加熱爐再次進行熱效率檢測，計算熱效率為86.1%，熱效率提高了12.9%。加熱爐優化后參數對比見表2。由表2 可知，完成一個熱吹循環，燃料氣用量減少了83 m3，加熱爐燃燒室溫度增高了240 ℃，煙道溫度下降了57 ℃，等效于單位時間內同等流量再生氣吸收的熱量增加，煙氣的二次利用率增加。

表2 加熱爐優化后參數對比Tab.2 Parameters comparison after the optimization of heating furnace

根據SY/T 6381—2016《石油工業用加熱爐熱工測定》[11-12]，加熱爐熱效率的計算方法為：

式中：η為熱效率，%；Q為有效輸出熱量，kJ/h；Qr為供給熱量，kJ/h。

因為工藝狀況未調整，被加熱介質容量及時間不變化，因此改造前后有效輸出熱量相同，即：

優化前供給熱量由公式（1）得出：

優化后供給熱量由公式（1）得出：

根據SY/T 6422—2016《石油企業用節能產品節能效果測定》，計算節能率。有效輸出熱量單耗：

式中：B為有效輸出熱量消耗，kgce/MJ；By為單位時間內耗能量，kgce/h；Qy為單位時間內有效輸出熱量，MJ/h。

因為工藝狀況未調整，被加熱介質容量及時間不變化，因此單位時間內耗能量相同，即

單位時間內有效輸出熱量等于供給熱量

式中：εL為節能率，%；B1為節能前有效輸出熱量單耗，kgce/MJ；B2為節能后有效輸出熱量單耗，kgce/MJ。

將公式（2） ～公式（7） 代入公式（8） 并化簡，計算節能率：

5 結論

1）相對于輻射式加熱爐，純對流式加熱爐的主要優點是爐管受熱均勻，不易產生較大的熱應力而導致爐管破裂，缺點是需要配置再循環風機，構造復雜，造價較高。

2） 在實際工況未達到送風機最佳工作點時（加熱爐熱負荷為71.4%），此時燃料氣量為80 m3/h，調節進風擋板，將風壓保持在約3.08 kPa，可以保持過剩空氣系數為1.15，能提高熱效率。

3） 確保循環風門全開， 煙道溫度降為253 ℃，可提高熱效率。

4）對爐體表面溫度大于50 ℃的部位進行堵漏處理，可提高熱效率。