朱本光， 馬貴陽, 喬偉彪， 杜明俊

（1. 遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順113001； 2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司， 河北 任丘 0622552）

輸油管道加熱爐節(jié)能減排技術(shù)現(xiàn)狀與未來發(fā)展

朱本光1， 馬貴陽1, 喬偉彪1， 杜明俊2

（1. 遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順113001； 2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司， 河北 任丘 0622552）

概述了輸油管道加熱爐節(jié)能減排的技術(shù)現(xiàn)狀，從更新燃料類型，改進(jìn)燃燒方式，提高燃燒效率；減少排氣熱損失；對流管改造，降低腐蝕；對舊爐進(jìn)行技術(shù)改造或更新；加熱爐運(yùn)行控制與節(jié)能5個(gè)方面介紹了目前加熱爐節(jié)能減排的具體方法措施。并對加熱爐節(jié)能減排技術(shù)的未來發(fā)展和研究方向提出建議。

輸油管道； 加熱爐； 節(jié)能減排； 優(yōu)化

當(dāng)今世界，能源危機(jī)日益嚴(yán)重，環(huán)境污染導(dǎo)致氣候異常，人類的生存面臨著前所未有的危機(jī)。在努力尋求新能源，充分利用清潔能源，倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)之外，各國都提高了對節(jié)能減排技術(shù)的研究。油田即是產(chǎn)能大戶，又是耗能大戶。而輸油系統(tǒng)既是油田地面工程系統(tǒng)的主要組成部分，又是油田生產(chǎn)的主要能耗單元。加熱爐是管道輸送中原油加熱的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)也是能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和主要的耗能設(shè)備。目前，中國石油管道公司輸油管道加熱爐的總裝機(jī)容量為514 674 kW ，其中直接加熱爐有54臺，其裝機(jī)容量為215 724 kW，熱媒加熱爐68臺，裝機(jī)容量為298 950 kW。以秦京輸油管道為例，其任務(wù)是通過埋地輸油管道將大慶原油加熱后由秦皇島輸送至北京燕山石化煉油廠。輸油站原油通過量為700 ～ 800 t/h。夏季，沿線輸油站采用大型燃油加熱爐對原油進(jìn)行加熱升溫。將原油溫度提高8～9℃，然后送往下一站。根據(jù)實(shí)際調(diào)查統(tǒng)計(jì)，春、夏、秋三季，每個(gè)站燃燒耗油量大約為平均每小時(shí) 280 kg燃料油。6個(gè)站的加熱爐平均每天消耗40 t左右的原油。冬季時(shí)，燃燒消耗的油更多。不包括鍋爐，每年加熱爐燃油指標(biāo)大約是20 000 t，2005年加熱爐實(shí)際燃燒耗油19 500 t。由此可見，提高加熱爐的加熱效率、適用性和安全性，對加熱爐進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造既有利于生產(chǎn)，節(jié)約大量的能耗，促進(jìn)石油經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，又有利于環(huán)境保護(hù)和國民經(jīng)濟(jì)的更好更快發(fā)展，因此具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，是值得研究的方向。

1 加熱爐節(jié)能減排技術(shù)的研究現(xiàn)狀

我國原油大部分為高含蠟、高凝點(diǎn)、高粘度的“三高”原油，因此原油熱輸工藝應(yīng)用比較廣泛。長輸管道的原油加熱方式有直接加熱和間接加熱兩種。直接加熱是原油直接經(jīng)過加熱爐，吸收燃料燃燒放出的熱量；間接加熱是原油通過中間介質(zhì)（導(dǎo)熱油、飽和水蒸氣或飽和水）在換熱器中吸收熱量，達(dá)到升溫的目的。這兩種加熱方式所用的加熱設(shè)備分別為直接加熱爐和間接加熱爐（熱煤爐）。加熱爐應(yīng)具備熱效率高、流動阻力小、能適應(yīng)管道輸量變化、可長期安全運(yùn)行等技術(shù)特點(diǎn)[1]。現(xiàn)在加熱爐的技術(shù)改造主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

1.1 更新燃料類型，改進(jìn)燃燒方式

改進(jìn)加熱爐結(jié)構(gòu)，在能夠利用天然氣、蒸汽的地區(qū)用其替代傳統(tǒng)的燃料油（大多為管道干線的原油）為管線原油加熱。這樣可以減少輔助設(shè)備的使用。在沒有條件不能用其替代燃料油的站庫，可以用煤焦輕油進(jìn)行替代。在燃料油(煤炭煉焦的副產(chǎn)品)中，煤焦輕油是品質(zhì)較好的一種新型的燃料。它與柴油有著相近的物化指標(biāo)，可替代原油或重油等燃料油使用。煤焦輕油這種燃料，不僅霧化良好，熱量與原油相當(dāng)，而且二氧化硫、氮氧化合物、煙氣黑度等排放指標(biāo)均符合國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。用煤焦輕油代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料油使用，不僅可以節(jié)約生產(chǎn)成本和寶貴的原油資源，還能降低二氧化硫等污染物的排放達(dá)60%，符合國家充分利用煤炭資源的戰(zhàn)略，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[2]。

在改進(jìn)燃燒方式上，可以優(yōu)化改進(jìn)加熱爐的燃燒裝置，具體的措施有：

⑴采用燃料油乳化、磁化技術(shù)，強(qiáng)化燃燒提高其燃燒效率。

⑵采用高效火嘴，改善燃燒，減少燃燒熱損失。

⑶采用微正壓燃燒，強(qiáng)化燃燒，提高爐膛熱強(qiáng)度，縮小爐子體積，同時(shí)也消除了漏風(fēng)，降低了排煙熱損失。

⑷在采用合適的燃燒控制裝置和保證燃燒穩(wěn)定的條件下使過量空氣系數(shù)具有最低值，得到最佳熱效率。

截至 2007年底，大慶喇嘛甸油田共安裝加熱爐自動點(diǎn)火及熄火保護(hù)裝置 47套，在兩座聯(lián)合站和多座轉(zhuǎn)油站使用節(jié)能火嘴及自動監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)能降耗效果明顯提高，安全程度大大加強(qiáng)。

目前 C0M—D—FN型燃燒器是各類燃燒器中比較先進(jìn)的加熱爐燃燒器。此型號燃燒器的分配模式為旋流風(fēng)、平流風(fēng)及斜交風(fēng)相結(jié)合，能夠最大限度地保證空氣與燃料的混合均勻。燃油噴嘴采用多級霧化結(jié)構(gòu)，汽耗量小于0.2 kg(汽)／kg(油)，燃油霧化顆粒度索太爾平均直徑在50 μm左右。該型燃燒器的特點(diǎn)為燃燒充分，可以避免機(jī)械和化學(xué)的不完全燃燒。此外，加強(qiáng)對燃燒器的管理和維護(hù)也是保證燃料高效燃燒的重要手段。對燃燒器噴嘴、燃料系統(tǒng)過濾器和阻火器進(jìn)行定期清理，做好這些技術(shù)管理措施能保證燃燒器安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 減少排氣熱損失

加熱爐的排氣熱損失有兩項(xiàng)：即排煙熱損失和散熱損失。對加熱爐的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高熱效率和性能，使加熱爐安全可靠便于控制和操作，降低能耗和運(yùn)行費(fèi)用。具體措施有：

⑴ 對加熱爐進(jìn)行改造，增加對流段的傳熱面積，更多的吸收煙氣中的熱量。在加熱爐尾部增加助燃空氣預(yù)熱裝置（列管式、回管式、熱管式），增加其物理顯熱和燃燒形成的煙氣量，有效提高燃燒溫度。此外可以給加熱爐加裝余熱回收裝置，如煙氣—水換熱器或煙氣—熱媒換熱器。煙氣帶走的熱量占燃料爐總供熱量的15%～20%，充分回收煙氣余熱是節(jié)約能源的主要途徑，如果排煙溫度降低l～15 ℃。熱效率可增加一個(gè)百分點(diǎn)。

⑵ 加熱爐積灰是影響加熱爐正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素，現(xiàn)在工業(yè)中一般有以下幾種方法除塵：變流速法、電除塵法、化學(xué)方法、吹灰器法等。應(yīng)用到工業(yè)爐較多的是吹灰器。傳統(tǒng)的除灰技術(shù)包括：鋼珠除灰、蒸汽吹灰、次聲波除灰、壓縮氮?dú)獬?、高壓水沖洗、氣脈沖吹灰等[3]。濱州站加熱爐引入吹灰控制系統(tǒng)后，每次吹掃平均可降低排煙溫度約25 ℃ ，提高爐效約3%,節(jié)能效果明顯。

⑶ 采用高效新型保溫隔熱材料（如耐火纖維噴涂技術(shù)），加強(qiáng)爐體保溫，減少加熱爐散熱損失。

1.3 對流管改造，降低腐蝕

通過對加熱爐腐蝕成因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)爐管結(jié)垢是導(dǎo)致?lián)Q熱能力下降的主要因素。加熱介質(zhì)為油水混合物者，水中的鈣、鎂離子及原油的高溫炭化物以流體中的懸浮物和沉砂為核沉積于管壁上，溫度越高處硬度越高。對流管直徑比輻射管直徑小，則流速大，內(nèi)壁結(jié)垢厚度小，但外側(cè)所處環(huán)境惡劣，腐蝕速度大。加熱介質(zhì)中的水溶有較多的氧和二氧化碳?xì)怏w，使?fàn)t管發(fā)生電化學(xué)腐蝕。在高溫條件下，火焰破壞了爐管原有的氧化層保護(hù)膜，加速了爐管材料的氧化過程。當(dāng)煙氣流到達(dá)煙囪及對流段時(shí)，煙氣中的二氧化硫和二氧化碳會對其產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。

根據(jù)腐蝕情況，對對流管進(jìn)行改造，及時(shí)更換原有的對流管，既減少因結(jié)垢而帶來的換熱率降低，又避免了因腐蝕而造成的爐管泄漏問題。在改造設(shè)計(jì)時(shí)需對更新的對流管排列后的換熱能力進(jìn)行校對。此外，研究開發(fā)耐高溫耐腐蝕的新材料替代現(xiàn)有爐管材料也是一個(gè)有效地途徑。

1.4 對舊爐進(jìn)行技術(shù)改造或更新[4-5]

舊爐改造主要從兩方面進(jìn)行：一是淘汰舊爐，采用新的高效加熱爐。自動控制技術(shù)應(yīng)用到加熱爐上，確保其長期維持高效運(yùn)行。二是研究開發(fā)全新型加熱爐，充分利用清潔能源。中國石油秦京輸油氣分公司的李景華、常光宇等人，提出輸油管道太陽能加熱爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行思路。若能將太陽能加熱爐應(yīng)用在長輸管道上，與傳統(tǒng)加熱爐配合使用將會產(chǎn)生可觀的節(jié)能效果。根據(jù)實(shí)際耗油統(tǒng)計(jì)，夏季白天一條管線上若有5座燃油加熱爐，每小時(shí)將58 t的原油提高 8～9 ℃輸送至下一站，需要消耗燃料油250 kg，如果每天停爐8 h，改由太陽能加熱爐供熱，5個(gè)輸油站每天就可以節(jié)約燃料油10 t，按每年可利用100 d太陽能計(jì)算，全年可節(jié)約燃料油1 000 t，而且減少了燃油加熱爐設(shè)備的耗電量。太陽能加熱爐在長輸原油管道上的應(yīng)用一定會有可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

1.5加熱爐運(yùn)行控制與節(jié)能[6-13]

目前，加熱爐的運(yùn)行很大程度上通過人工調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中存在各種隨機(jī)因素以及人力操作的局限性，影響加熱爐運(yùn)行的穩(wěn)定。為保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行，允許加熱爐輸出介質(zhì)的實(shí)際溫度超出工藝溫度的范圍比較大，一般為5 ～ 8 ℃。超出的這段溫度所耗費(fèi)的熱能對于生產(chǎn)不是必需的，是一種能量的損失。這種能量損失在加熱爐的能耗中長占有較大比例，管理不善的加熱爐甚至可達(dá)到40%以上。因此在加熱爐運(yùn)行中應(yīng)用節(jié)能控制技術(shù)，能有效的降低能量損失，達(dá)到節(jié)能減排的目的。以1.75 MW燃?xì)饧訜釥t為例，安裝節(jié)能控制裝置后，可使加熱爐保持輸出溫度與工藝溫度的誤差在±1 ℃內(nèi)運(yùn)行，使得燃料氣耗量減少為100.3 m3/h，節(jié)氣率達(dá)到17.3%，使能量損失大大降低。

2 加熱爐節(jié)能減排技術(shù)的未來發(fā)展

世界各國在原油的管道輸送中，都普遍采用加熱爐對原油加熱升溫進(jìn)行輸送。在常規(guī)能源日益緊缺的今天，低碳經(jīng)濟(jì)成為主旋律，各國都加強(qiáng)了加熱爐節(jié)能減排技術(shù)的研究。

⑴ 進(jìn)一步加強(qiáng)加熱爐的理論研究，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)及參數(shù)。向著自動化控制和監(jiān)測、高效、穩(wěn)定安全的方向發(fā)展。

⑵ 雖然市場上已出現(xiàn)石油集輸太陽能類的加熱裝置（如：太陽能高溫?zé)岜檬图敿訜嵫b置），但此類加熱裝置的應(yīng)用還未被普及。太陽能是公認(rèn)的清潔能源，若能在石油輸送中大量利用，則節(jié)能減排將有著很好的前景。因此加強(qiáng)太陽能加熱爐的開發(fā)力度與普及勢在必行。

⑶ 新材料的研究開發(fā)對科技進(jìn)步的影響越來越大。在加熱爐上，采用更好更先進(jìn)的材料對于節(jié)能減排來說有著很大的幫助。特別是耐高溫、防腐蝕以及高輻射率的材料。

⑷ 清灰一直以來是加熱爐較大的一個(gè)技術(shù)難關(guān)，加強(qiáng)此技術(shù)的研究對于節(jié)能減排意義重大。包括新型清灰技術(shù)和新型清灰劑的研究。

⑸ 天然氣被公認(rèn)為清潔能源，與液體燃料相比，它具有燃燒充分、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。所以應(yīng)該將加熱爐的燃料替換普及開來，改進(jìn)加熱爐結(jié)構(gòu)，改燃油為燃?xì)?，與太陽能加熱爐配合使用，進(jìn)行能量接力。

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Present Situation and Future Development of Energy Saving and Emission Reduction About Heating Furnace of Oil Pipeline

ZHU Ben-guang1，MA Gui-yang1，QIAO Wei-biao1，DU Ming-jun2
(1.College of Petroleum and Natural Gas Engineering ,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2.China Petroleum Engineering Co., Ltd. NorthChina Company, Hebei Renqiu 062552，China）

Present situation of energy saving and emission reduction about heating furnace of oil pipeline was summarized. The specific methods and measures of energy saving and emission reduction for heating furnace were introduced from following several aspects. Firstly, updating fuel type, promoting combustion mode, improving combustion efficiency；Secondly, reducing exhaust heat loss;Thirdly, reforming oil pipeline, reducing corrosion; Fourthly, transforming and updating old furnace; Fifthly, controlling the heating furnace and energy saving and so on. Then some suggestions about future development of energy saving and emission reduction technology and research direction were put forward.

Oil pipeline; Heating Furnace; Energy conservation and emission reduction; Optimization

TE 832.3

A

1671-0460（2011）02-0143-03

2010-11-27

朱本光（1986-），男，在讀研究生，山東泰安人，研究方向：從事原油順序輸送技術(shù)研究工作。E-mail：benguang5566@qq.com。