真空加熱爐在油氣集輸加熱中的應用探討

戚坤

（大慶油田裝備制造集團石油專用設備有限公司技術研發中心，黑龍江 大慶 163411）

在油氣集輸過程中，為保障原油加工、運輸和儲存過程中不會出現凝結現象，需要利用加熱爐讓原油保持在一定溫度區間內。根據相關數據統計可知，目前，國內油氣長輸管道中配備的加油爐數量已經達到數萬臺，已經成為油氣生產和運輸中的主要耗能設備，針對油氣集輸加熱中真空加熱爐的應用進行探討，深入挖掘及節能潛能具有重要實踐意義。

1 油氣集輸加熱領域加熱設備類型

1.1 直接加熱式加熱爐

（1）管式加熱爐。管式加熱爐的換熱器可以直接接觸高溫煙氣和高溫火焰，因此，通常情況下是應用在加熱高溫介質領域中，在管道集輸和煉化工業中的應用比較廣泛。這種爐型最大的特點是具有較大的火焰直接輻射加熱溫壓，但是換熱面積小，因此加熱效果良好。在原油加熱中應用該種爐型，很容易導致原油中的瀝青質和膠質出現局部沉淀，從而使得管道熱量傳遞受到阻礙。一旦出現過熱，會使管壁出現結垢結焦的問題，嚴重時甚至會發生爆管事故。

（2）火筒式直接加熱爐。這種加熱爐也屬于一種直接加熱設備，整體結構形式簡單，在泵前加熱工藝中的應用比較廣泛。但由于這種鍋殼容積較大，燃燒系統受熱面非常容易出現結垢、油介質腐蝕等問題，因此，在油氣混合物、稠油和天然氣加熱中并不適用。

1.2 間接加熱式加熱爐

（1）水套爐。水套爐主要采取的是水浴加熱方式，鍋殼中使用的是水自然對流換熱方式，因此其實際傳熱系數相對較小，而且爐型本身體積龐大，生產制造耗材量較高。但是水套爐在實際應用過程中體現出了極高的安全性，由于運行中會出現較大失水量，因此需要經常性進行補水，從而導致鍋殼內部非常容易出現結垢現象，也容易引發過熱過燒等問題而導致設備正常使用受到影響。

（2）相變加熱爐。目前在油田中應用比較廣泛的主要有真空加熱爐和分體相變加熱爐等兩種相變加熱爐類型。真空相變加熱爐體現出了換熱效率高、運行安全等一些特征；在原油、采暖水、天然氣的加熱中的應用非常廣泛，而且這種加熱爐在使用中產生的結垢很少。

2 真空相變換熱技術特征

真空相變技術是真空加熱爐的核心。作為一種間接加熱技術相變換熱技術，實現了自動燃燒器技術、集中加熱技術、自動控制技術等多項技術的全面綜合，在油田集輸加熱領域中取得了巨大進步。從大量的實踐可知，在油氣集輸領域的所有加熱技術中，目前沒有任何一項技術可以以低成本投入而實現水的氣液相變加熱高效超導加熱效果。真空相變換熱技術的應用使得油田油氣集輸領域中高鈣化的污水、原油、天然氣等的伴熱、采暖水加熱、改造集輸加熱系統需求得到充分滿足，而且該技術的應用可以使加熱設備品質得到快速提升，加熱系統也更加專業化。

相變換熱技術基本的原理是通過液體蒸發、氣體冷凝的循環過程來傳遞熱量。相變換熱目前主要包括真空相變和壓力相變等兩種不同的換熱方式，在加熱爐中應用相變技術具有以下優勢。

（1）相變加熱爐在實際投產中可在低壓環境下擁有沸點較高的中間換熱媒體，與傳統水浴式加熱器相比，可以通過氣化潛熱來傳遞能量，進而全面提升了換熱能力。在換熱管外部主要通過冷凝作用來實現換熱，因此在加熱介質的作用下內部介質可實現強迫對流換熱，即使利用普通碳鋼管也可以達到預期換熱效果。

（2）相變加熱爐停用后再啟動要通過排放蒸汽來帶走多余空氣，在此過程中會導致部分蒸汽散失，同時鍋爐水位也會相應下降，因此相變加熱爐在運行過程中需要對其最低允許水位進行實時監控，一旦達到預警線，要及時補充中間熱媒水。根據相變加熱爐的實際運行狀況可知，由于鍋爐的密封方式相對可靠，因此加熱爐在運行過程中很少出現缺水狀況。如采取自來水作為補充熱媒水，補充水中鈣鎂離子含量十分有限，因此鍋爐內部不容易出現結垢層。對于空氣可以通過排氣環節排到外界，因此鍋爐內部大部分情況下可以近似為無氧狀態，這種環境可以有效避免鍋爐出現氧腐蝕，進一步延長加熱爐的使用壽命。

3 油田集輸領域典型加熱爐產品

相較其他領域的加熱介質，油田集輸領域加熱介質通常情況下都含有大量礦化度較高的地層水，不管是水還是含油污水的加熱過程由于介質成分非常復雜，因此很難對加熱爐的結垢現象進行有效預防。其次，油田集輸領域加熱介質通常情況下體現出了較強的腐蝕性特征；且與其他流體相比，原油黏度更高，因此在加熱爐管內的傳熱系數相對較低，其傳熱系數甚至不足水的1/10，因此往往需要更大的換熱面積。而且高黏度的原油會導致管內產生較大壓降，也會導致原油集輸阻力增加。

3.1 真空加熱爐

真空加熱爐在油田集輸領域中的應用體現出了功能完善、安全可靠、節能效果明顯等一些特征。目前，在油田的超稠油以下原油加熱中應用非常廣泛，而且在不容易產生結構現象的污水加熱中也具有較強的適用性，圖1 是真空加熱爐在伴熱水加熱中的應用效果。

圖1 真空加熱爐

3.2 天然氣真空加熱爐

天然氣真空加熱爐在制造過程中材料嚴格執行SY0031 標準，同時結合其使用環境適當提升腐蝕余量。而且制造全過程采取氬弧焊焊接，產品完成后，需要進行射線探傷，并通過熱處理及時消除參與應力和焊接應力。天然氣真空加熱爐整體布局緊湊，爐體相應設置觀察孔為后續檢驗檢修提供便利。見圖2。

圖2 天然氣真空加熱爐

3.3 試油車載加熱爐

試油車載加熱爐目前主要是在油田測井作業公司試油加熱領域中得到應用。這種加熱爐技術具有以下一些特征：首先，采取框架式撬裝結構對爐體形成有效保護。在爐體內部設置了防波板，即使帶水作業也不會對爐內結構產生較大影響，而且相應配備了吊裝組件，為設備吊裝提供便利。這種加熱爐配備的盤管耐壓等級能夠達到70MPa，而且壁厚較大，具備充足腐蝕余量，對各類井下產物、加熱介質的變化體現出了極強適應性。采取快裝式結構、流程化連接模式，通過油壬和鉸鏈連接使得設備搬遷非常便捷。

4 加熱爐節能原理及效果分析

4.1 節能原理

真空加熱爐在運行過程中，中間傳熱介質使用的是低溫飽和水蒸汽，因此其排煙溫度可以嚴格控制在140～200℃，實現排煙熱損失的有效控制；其次，該技術使用的是強制鼓風正壓燃燒器，因此，對流受熱面上可以獲得流速為17 ～20m/s 的高速燃氣，可極大地提升對流受熱面換熱效率，熱量利用率也可得到極大的提升；再次，該技術配備了全自動燃燒器，可實現燃料利用率的有效提升，而且該技術模式下空氣過剩系數小，因此實際產生的熱損失也相對較小。通過自動控制技術的應用可以實現輸出熱量和所需熱量的動態平衡，有效避免燃料過度燃燒導致浪費；另外，真空加熱爐采取的是水蒸汽相變換熱技術，與傳統水套爐相比，傳熱系數更高，可以實現盤管換熱器體積在有效控制，爐體體積更小，因此表面散熱損失也可得到有效控制；在使用高效復合保溫材料后，使得真空加熱爐具備更強的隔熱效果，因此可以有效避免表面出現過多散熱損失。根據真空加熱爐在油田技術系統中的應用實踐可知，即熱效率能夠達到88%以上。

4.2 節能效果分析

真空加熱爐采取了先進制造技術，同時配備全自動換熱器，因此可以實現對輸出熱量的精準化控制，燃料燃燒率也可實現最大化，具有極高的熱效率。通過配備自動化控制系統使得設備整體操作更加便捷，完全可以實現遠程監控和無人值守。根據中國石油天然氣集團公司油田節能監測中心的相關報道，630kW 真空加熱爐在實際應用過程中的熱效率能夠達到89%左右，3000kW 真空加熱爐實際熱效率能達到91%，平均熱效超過88%，遠高于傳統加熱爐的熱效率。

5 結語

總而言之，真空加熱爐技術體現出了極高的安全性、可靠性和節能效果，在油田集輸領域中應用真空相變加熱爐具有非常明顯的優勢，可有效提升原油集輸效率。