劉錄（大慶油田公共汽車公司西區(qū)分公司）

加熱爐控制排煙溫度及空氣系數(shù)技術(shù)分析與應(yīng)用

劉錄（大慶油田公共汽車公司西區(qū)分公司）

隨著不加熱集輸技術(shù)的逐漸推廣，節(jié)氣的空間越來(lái)越小，因此提高加熱爐的運(yùn)行效率至關(guān)重要。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和對(duì)加熱爐測(cè)試數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，影響加熱爐效率的主要原因是過(guò)?？諝庀禂?shù)不合理、排煙溫度過(guò)高、爐膛負(fù)壓不合理等問(wèn)題，導(dǎo)致運(yùn)行效率降低。針對(duì)運(yùn)行時(shí)率高的加熱爐，采用加熱爐煙氣含氧量實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和煙道負(fù)壓測(cè)試技術(shù)，并輔以煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)，優(yōu)化加熱爐各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)?？諝庀禂?shù)和爐膛負(fù)壓的控制，使空氣系數(shù)和排煙溫度處于合理范圍，提高了加熱爐熱效率。

加熱爐 含氧量檢測(cè) 負(fù)壓測(cè)試 參數(shù)優(yōu)化 排煙溫度 空氣系數(shù)

加熱爐是油田集輸過(guò)程中廣泛使用的加熱設(shè)備。目前，油田二合一加熱爐和水套爐主要用于季節(jié)性摻水及熱洗一次提溫，管式爐主要用于熱洗，真空爐用于季節(jié)性摻水 （表1）。自開展不加熱集輸以來(lái)，大部分加熱爐停運(yùn)。2011年3月采油六廠在運(yùn) 加 熱 爐 121 臺(tái) ， 其 中 熱 洗 爐 45 臺(tái) 、 摻 水 爐 65臺(tái) 、 脫 水 爐 8臺(tái) 、 外 輸 爐 3臺(tái) 。2011年 對(duì)36臺(tái) 符 合測(cè) 試 條 件 的 加 熱 爐 進(jìn) 行 了 爐 效 測(cè) 試 ， 根 據(jù) SY/ T6275-2007 《油 田 生 產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)規(guī)范》 進(jìn) 行 了節(jié)能評(píng)價(jià)，有15臺(tái)加熱爐效率低于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

表1 加熱爐爐型分類統(tǒng)計(jì)

1 原因分析

根據(jù)加熱爐煙氣中的氧含量、一氧化碳含量、排煙溫度等運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算出空氣系數(shù)、排煙熱損失、未完全燃燒損失、散熱損失，進(jìn)而確定加熱爐熱效率。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)試評(píng)價(jià)，找出了導(dǎo)致爐效低的原因。

1.1過(guò)?？諝庀禂?shù)沒有控制在合理的范圍之內(nèi)

油 田 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 節(jié) 能 監(jiān) 測(cè) 規(guī) 范 規(guī) 定 ： 1.16～2.5 MW 加 熱 爐 空氣系數(shù)的合 格 值 在 1.8～2.0 之間 。 測(cè) 試的 36 臺(tái) 加 熱 爐 ， 有 11 臺(tái) 過(guò) 剩 空 氣 系 數(shù) 大 于 2.0。 過(guò)剩空氣系數(shù)受燃料性質(zhì)、燃燒方式、燃燒設(shè)備、風(fēng)速因素的影響，是動(dòng)態(tài)變化的?？諝庀禂?shù)小，會(huì)造成不完全燃燒損失；空氣系數(shù)大，加熱爐排煙量增多。

1.2加熱爐排煙溫度沒有控制在合理的范圍之內(nèi)

油 田 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 節(jié) 能 監(jiān) 測(cè) 規(guī) 范 規(guī) 定 ： 1.16～2.5 MW 加 熱 爐 排 煙 溫 度 應(yīng) 控 制 在 180～220 ℃ 之 間 。 測(cè)試 的 36臺(tái) 加 熱 爐 ， 有 7臺(tái) 排 煙 溫 度 高 于 220 ℃ 。 排煙熱損失是加熱爐的主要熱損失之一，可達(dá) 10%～20%。現(xiàn) 場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù) 表明，排煙 溫度每降低 12～15 ℃，加熱 爐效 率可提高 1%，排煙溫度的高 低直接影響加熱爐的效率。

1.3加熱爐煙道擋板開度不易調(diào)節(jié)

煙道擋板可以調(diào)節(jié)進(jìn)出加熱爐空氣量，控制調(diào)整爐內(nèi)負(fù)壓，以及調(diào)節(jié)火焰燃燒情況。目前加熱爐煙道擋板位置高，只有控制手柄，不利于調(diào)節(jié)擋板。煙道擋板的開度需要根據(jù)加熱爐負(fù)荷變化、風(fēng)力的大小進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。煙道擋板開度的大小直接影響爐膛負(fù)壓、排煙溫度及過(guò)?？諝庀禂?shù)，影響加熱爐的燃燒效率。

1.4自動(dòng)熄火保護(hù)燃燒裝置運(yùn)行參數(shù)不合理

加熱爐自動(dòng)熄火保護(hù)燃燒裝置開發(fā)時(shí)側(cè)重于安全管理，主要實(shí)現(xiàn)熄火保護(hù)、自動(dòng)點(diǎn)火功能。燃燒器空燃比控制原理是運(yùn)用理論燃燒計(jì)算公式，根據(jù)不同負(fù)荷計(jì)算出加熱爐燃燒曲線，執(zhí)行機(jī)構(gòu)依據(jù)燃燒曲線調(diào)節(jié)合風(fēng)開度。當(dāng)爐膛負(fù)壓變化時(shí)，自動(dòng)燃燒器控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，致使燃燒器空氣系數(shù)不合適；同時(shí)由于爐膛負(fù)壓不合適，影響了加熱爐的熱效率。

2 解決措施

推廣不加熱集輸技術(shù)后，二合一加熱爐停運(yùn)較多，且運(yùn)行負(fù)荷偏低，因此加熱爐爐效治理應(yīng)以高效爐為主。根據(jù)加熱爐熱效率工藝特點(diǎn)，采用下列數(shù)學(xué)模型：

η =106.13-32.19（O）-1089.13（ O ）2-0.0588TP

式中：

η——熱效率，%；

（O）——氧含量，%；

TP——排煙溫度。

保證加熱爐熱效率最優(yōu)的約束條件是: a＜（O）＜ b ； c＜T＜d ； P ≥ e ； 其 中 a、b、c、d、e為常數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況確定； T 為煙氣溫度；P為爐膛負(fù)壓。

2.1對(duì)于應(yīng)用自動(dòng)燃燒器的高效爐，應(yīng)用煙氣含氧量檢測(cè)技術(shù)和煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)

采 油 六 廠 喇 400 站 4#熱 洗 爐 （1.74MW）使 用自動(dòng)燃燒器，經(jīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，平均效率只有72%，低于設(shè)計(jì)爐效。應(yīng)用含氧量實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)化加熱爐運(yùn)行參數(shù)，具體措施如下。

2.1.1 檢測(cè)煙氣中的氧含量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空氣系數(shù)

通過(guò)氧化鋯氧分析儀檢測(cè)煙氣中的氧含量，開發(fā)以氧含量為輸入信號(hào)的運(yùn)行軟件， PLC可編程控制器對(duì)輸入氧含量信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，計(jì)算出控制量，校正燃燒曲線。系統(tǒng)輸出指令給合風(fēng)控制器，調(diào)節(jié)合風(fēng)，把過(guò)?？諝庀禂?shù)控制在最佳狀態(tài)?？諝庀禂?shù)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)各部分功能如下所述。

◇檢測(cè)部分

氧分析儀完成氧含量檢測(cè)，轉(zhuǎn)換器把氧濃度電勢(shì)轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

氧分析儀測(cè)氧部件是鋯管，電爐對(duì)鋯管加熱后，其內(nèi)外壁接觸氧分壓不同的氣體，氧化鋯管就成為一個(gè)氧濃差電池，在兩個(gè)鉑電極上將發(fā)生如下反應(yīng)：

在 空氣邊 （參 比 邊）電極上：O2＋4e→2O2－

在 低氧邊 （被 測(cè) 邊）電極上：2O2－→O2＋4e

根據(jù)參比氣體的濃度可得出煙道中的氧濃度，為參數(shù)調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

◇ 控制部分 （圖1）

PLC可編程控制器對(duì)氧分析儀檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行 計(jì) 算 、 比 較 ， 使 氧 含 量 界 于 4% ～4.5% ， 然 后輸出。

圖1 燃 燒器 PLC控 制圖

◇執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)控制部分發(fā)出的指令調(diào)節(jié)合風(fēng)，使空氣系數(shù)處于合理范圍。

2.1.2 改進(jìn)煙道擋板控制機(jī)構(gòu)，提高操控性能

通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將煙道擋板控制點(diǎn)由爐子上轉(zhuǎn)移到地面，可根據(jù)加熱爐負(fù)荷變化、風(fēng)力的大小進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控制過(guò)?？諝庀禂?shù)，延長(zhǎng)換熱時(shí)間，減少排煙損失。擋板開度與加熱爐負(fù)荷有近似比例關(guān)系，開度越大，加熱爐熱負(fù)荷越大。根據(jù)加熱爐進(jìn)出口溫度和加熱流量估算出加熱爐負(fù)荷率，確定擋板開度。

2.1.3 加熱爐煙道安裝排煙溫度表，監(jiān)測(cè)排煙溫度

加熱爐煙道安裝排煙溫度表后，可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)加熱爐煙道出口溫度，初步掌握加熱爐排煙熱損失的情況。

2.1.4 運(yùn)行效果及推廣應(yīng)用

喇 400 站 4#爐 實(shí) 施 各 項(xiàng) 技 術(shù) 措 施 后 ， 對(duì) 熱 效 率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 喇 400 站 4#熱洗爐 措 施前后 對(duì) 比

措 施 后 ， 喇 400 轉(zhuǎn) 油 站 4#熱 洗 爐 過(guò) 剩 空 氣 系 數(shù)由 1.73 下 降 到 1.26， 排 煙 溫 度 由 373 ℃ 下 降 到213 ℃ ， 效 率 由 72.5%提 高 到 81.1%。 加 熱 爐 改 造 投入 為 3 萬(wàn) 元 ， 年 節(jié) 氣 9.5× 104m3， 投 資 回 收 期 為 7個(gè)月?？刂葡到y(tǒng)依據(jù)氧含量信號(hào)調(diào)節(jié)合風(fēng)，配合調(diào)節(jié)煙道擋板，可將排煙溫度和空氣系數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)。

后期效果跟蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然 4#加熱爐的空氣系數(shù)在合理范圍內(nèi)，但排煙溫度仍有超標(biāo)現(xiàn)象，爐效測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 喇 400 站 4#熱 洗爐爐效 數(shù)據(jù)

現(xiàn) 場(chǎng) 調(diào) 查 發(fā) 現(xiàn) ， 喇 400 站 熱 洗 泵 實(shí) 際 流 量 36 m3/h， 超 出 了 加 熱 爐 額 定 負(fù) 荷 ， 由 于 加 熱 爐 超 負(fù) 荷運(yùn)行，導(dǎo)致排煙溫度升高，熱效率下降。針對(duì)喇400 轉(zhuǎn) 油 站 4#熱 洗 爐 超 負(fù) 荷 情 況 ， 通 過(guò) 控 制 熱 洗 泵流量，避免了加熱爐超負(fù)荷現(xiàn)象，爐效達(dá)到80.9%， 符 合 節(jié) 能標(biāo)準(zhǔn)。 測(cè) 試 數(shù) 據(jù) 見表4。

表4 喇 400 站 4#熱 洗爐爐效 數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上，推廣了該項(xiàng)技術(shù)。在 喇 150-4#、 290-1#、 360-5#加 熱 爐 上 安 裝 氧 分 析儀 、 擋 板調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu) ， 年 節(jié) 氣 28.5×104m3。

喇 600 轉(zhuǎn) 油 站 1#、2#加熱爐、喇 560 外 輸 爐 共 安裝3套煙道擋板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可及時(shí)調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，控 制 排 煙損失， 年 節(jié) 氣 5.2×104m3。

2.2對(duì)于沒有應(yīng)用自動(dòng)燃燒器的的高效爐，應(yīng)用煙道負(fù)壓測(cè)試技術(shù)和煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)

加熱爐的爐膛負(fù)壓是反映燃燒工況的重要參數(shù)，爐內(nèi)燃燒工況發(fā)生變化，爐膛負(fù)壓隨即發(fā)生相應(yīng)變化?？刂茽t膛負(fù)壓就能控制爐內(nèi)的過(guò)?？諝庀禂?shù)，減少排煙損失，提高加熱爐的熱效率。加熱爐空 氣 過(guò) 剩 系 數(shù) 與 爐 膛 負(fù) 壓 有 直 接 關(guān) 系[1]。 加 熱 爐 設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定爐膛負(fù)壓應(yīng)控制在 20Pa為宜，以保持爐 子 抽 力 正 常 。 喇 381 轉(zhuǎn) 油 站 熱 洗 爐 容 量 為 1.16 MW， 使 用 普 通 燃 燒 器 。 喇 381 站 熱 洗 爐 應(yīng) 用 了 煙道負(fù)壓測(cè)試技術(shù)，在加熱爐側(cè)面安裝U型管壓力計(jì)，用耐高溫軟管將煙氣引入U(xiǎn)型管壓力計(jì)，檢測(cè)煙道負(fù)壓?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)煙道負(fù)壓可以控制爐膛負(fù)壓，當(dāng)負(fù)壓過(guò)大時(shí)，排煙損失大，燃燒效率低；負(fù)壓過(guò)小時(shí)，燃燒不充分。通過(guò)調(diào)節(jié)合風(fēng)、煙道 擋 板 ， 喇 381 站 熱 洗 爐 爐 效 達(dá) 到 79.4%， 達(dá) 到 節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。爐效測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 喇 381站熱 洗爐措施 前后對(duì)比

通過(guò)調(diào)節(jié)合風(fēng)、煙道擋板，喇 381站熱洗爐煙道 負(fù) 壓 由 80Pa 降 到 25Pa， 空 氣 系 數(shù) 由 2.397 下 降到 1.42， 排 煙 溫 度 由 229 ℃ 下 降 到 211 ℃ ， 效 率 由71.1% 提 高 到 79.4% ， 年 節(jié) 氣 6.5× 104m3。 加 熱 爐 改造投 入 為 0.7萬(wàn)元 ， 投 資 回 收期為 2 個(gè)月。

目 前 在 喇 271、501、600等 7座 轉(zhuǎn) 油 站 12臺(tái) 加熱爐推廣應(yīng)用了U型管壓力計(jì)和煙道擋板調(diào)節(jié)裝置，監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)煙道負(fù)壓，將排煙溫度和空氣系數(shù)控制在了合理范圍，年節(jié)氣 66×104m3。

3 應(yīng)用前景預(yù)測(cè)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)試評(píng)價(jià)，針對(duì)加熱爐實(shí)際運(yùn)行情況，采取個(gè)性化組合型技術(shù)改造措施，控制排煙溫 度 及 空 氣 系數(shù)，降 低 加 熱 爐 運(yùn)行能耗 （表6）。

表6 加熱爐節(jié)能改造效果預(yù)測(cè)

實(shí) 施 后 ， 預(yù) 計(jì)年節(jié)氣 401×104m3， 天 然 氣 價(jià) 格按每 立 方 米 0.9 元 計(jì) 算 ， 經(jīng) 濟(jì)效益為 360.9 萬(wàn)元 。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)加熱爐運(yùn)行情況的分析，找到影響加熱爐運(yùn)行效率的主要因素。通過(guò)應(yīng)用煙氣含氧量實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和煙道負(fù)壓測(cè)試技術(shù)，并輔以煙道擋板調(diào)節(jié)技術(shù)，優(yōu)化加熱爐各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，使空氣系數(shù)和排煙溫度處于合理范圍，提高了加熱爐熱效率，減少了燃料消耗。同時(shí)降低 CO、NOX等有害氣體的廢氣排放量，減輕工業(yè)廢氣對(duì)環(huán)境的污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]李勇,李玉軍,王維佳.加熱爐優(yōu)化狀態(tài)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2003,22(6):40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.006.005

2012-12-13）

劉錄，2008年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué) （機(jī)械專業(yè)），現(xiàn)從事 公 交 公 司 車 隊(duì) 管 理 工 作 ， E-mail： liulu002@cnpc.com.cn， 地 址 ：黑龍江省大慶油田公共汽車公司西區(qū)分公司，163500。