崔曉雨（大慶油田采氣分公司）

真空加熱爐作為氣田開(kāi)發(fā)的重要換熱設(shè)備，它熱效率的高低直接影響天然氣的換熱效率，為了合理使用真空加熱爐、平穩(wěn)生產(chǎn)以及降低能耗，對(duì)影響真空加熱爐熱效率的原因進(jìn)行分析，提出提效措施，并為氣田開(kāi)發(fā)合理使用真空加熱爐提供參考數(shù)據(jù)及建議。

1 真空加熱爐結(jié)構(gòu)原理

真空加熱爐利用水在不同壓力下沸騰溫度不同的特性，通過(guò)沸騰排氣法形成一個(gè)一定真空的真空腔，鍋筒內(nèi)壓力變?yōu)樨?fù)壓（-0.03~0.01 M Pa）。燃?xì)饨?jīng)燃燒器在爐膛里充分燃燒后，火焰和高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)在爐膽、回燃室及煙管將熱量傳遞給熱媒水。熱媒水在低于負(fù)壓下熱蒸發(fā)形成飽和蒸汽，通過(guò)“蒸發(fā)-冷凝-再蒸發(fā)-再冷凝”的相變換熱方式將熱量傳遞給盤(pán)管內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)-水或油，使其達(dá)到用戶(hù)所需溫度。

圖1 真空加熱爐結(jié)構(gòu)圖

2 真空加熱爐熱效率計(jì)算

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)S Y/T 6381—2008《加熱爐熱工測(cè)定》對(duì)加熱爐熱效率的定義是：“同一時(shí)間內(nèi)加熱爐的被加熱介質(zhì)輸出熱量與輸入熱量之差與供給能量的比值，用百分?jǐn)?shù)表示?！倍鴮?duì)于熱效率的計(jì)算可以通過(guò)兩種途徑：正平衡法和反平衡法。下面分別進(jìn)行討論。

所謂正平衡法就是根據(jù)熱效率的定義來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

而反平衡法就是通過(guò)測(cè)定各種燃燒產(chǎn)物熱損失和加熱爐散熱損失來(lái)確定熱效率的方法。其計(jì)算公式如下：

η=100-(q2+q3+q4)

式中：

q2——排煙熱損失；

q3——?dú)怏w未完全燃燒熱損失；

q4——散熱損失。

由于實(shí)際情況不具備用反平衡閥計(jì)算加熱爐的熱效率，本文接下來(lái)用正平衡法計(jì)算某集氣站加熱爐的熱效率。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可以通過(guò)公式計(jì)算出各單井加熱前后天然氣摩爾熱容值，見(jiàn)表2。

表1 某集氣站2013年1月1日生產(chǎn)數(shù)據(jù)

C=a0+a1T+a2T2+a3T3

式中：

C——定壓摩爾熱容，kJ/（kmol·K）；

T——溫度，K 。

表2 某集氣站各單井進(jìn)出加熱爐的摩爾熱容

表3 各單井產(chǎn)氣物質(zhì)的量

各單井氣體有效利用熱量的計(jì)算：

Q氣=(CP1×T1-CP0×T0)×N

表4 各單井氣體有效利用熱量

各單井液體有效利用熱量的計(jì)算：

Q液=CMΔT

表5 各單井液體有效利用熱量

各單井總有效利用熱量的計(jì)算：

Q總=Q氣+Q液

表6 各單井總有效利用熱量

供給能量的計(jì)算：

由于某區(qū)所生產(chǎn)的天然氣在標(biāo)況下的熱值一般在38930~40186kJ/m3，我們?nèi)∑淦骄?9558kJ/m3來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

H=39558kJ/m3=39926kJ/m3

由于兩臺(tái)加熱爐只有一臺(tái)總自用氣計(jì)量，而沒(méi)有單獨(dú)的自用氣計(jì)量，因此無(wú)法取得每臺(tái)加熱爐準(zhǔn)確的自用氣。因此，按照兩臺(tái)加熱爐功率比值來(lái)估算每臺(tái)加熱爐自用氣的消耗。1#加熱爐功率為0.32 M W ，2#加熱爐功率為0.41 M W ，按照日自用氣300 m3計(jì)算，兩臺(tái)加熱爐分別消耗自用氣為132m3和168m3。

加熱爐熱效率的計(jì)算：

η=(QOUT-QIN)/Qr=(QOUT-QIN)/(H ?V)

表7 某集氣站2013年1-6月加熱爐熱效率統(tǒng)計(jì)表

從計(jì)算接過(guò)來(lái)看，1號(hào)集氣站2號(hào)加熱爐熱效率偏低只有53%，接下來(lái)將對(duì)真空加熱爐熱效率偏低的情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

3 真空加熱爐熱效率影響因素

3.1 爐子排煙溫度越高，熱效率越低

排煙熱損失指煙氣離開(kāi)加熱爐末級(jí)受熱面進(jìn)入煙囪時(shí)帶走的部分熱量。其大小主要取決于排煙溫度的高低和排煙處的煙氣量的大小。在燃料及送風(fēng)條件保持穩(wěn)定時(shí)，排煙量的變化可以忽略。排煙溫度的高低直接影響熱效率的大小，排煙溫度越高，熱效率越小。一般排煙溫度每升高10~15 ℃，熱效率會(huì)下降1%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該盡量降低排煙溫度，進(jìn)而提高熱效率，但是也不益過(guò)低（低于烴露點(diǎn)），否則加熱爐尾部易產(chǎn)生滴水現(xiàn)象，以致誘發(fā)加熱爐尾部受熱面腐蝕問(wèn)題。一般情況下，加熱爐安全排煙溫度要高于煙氣烴露點(diǎn)5～10℃。同時(shí)，在有條件的情況下可采用煙氣余熱回收技術(shù)。

3.2 過(guò)?？諝庀禂?shù)越大，熱效率越低

當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)低，空氣量不足時(shí)，爐膛溫度太低，空氣與可燃?xì)怏w混合不良，可燃?xì)怏w來(lái)不及燃盡而排走，從而增大了燃料氣未完全燃燒熱損失，致使熱效率低。此外，過(guò)量空氣系數(shù)還將影響消煙除塵效果。在燃燒過(guò)程中，由于空氣量不當(dāng)，燃料與空氣混合不好，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出炭黑而形成黑煙，同時(shí)加大了排塵量使排塵濃度提高。因此，空氣量是鍋爐燃燒過(guò)程和除塵過(guò)程中十分重要和關(guān)鍵的要素，必須有效地解決鍋爐合理配風(fēng)、鍋爐漏風(fēng)和煙（風(fēng)）道的漏風(fēng)問(wèn)題。

3.3 爐壁散熱損失越大，熱效率越低

加熱爐運(yùn)行中，由于保溫材料并非完全絕熱，加熱爐的介質(zhì)熱量通過(guò)爐墻、煙風(fēng)道、架構(gòu)、汽水管道的外表面散發(fā)出來(lái)，該部分散失的熱量即爐體表面散熱損失。爐體表面散熱損失大小主要是由鍋爐外壁相對(duì)面積及外壁溫度所決定，一般來(lái)說(shuō)鍋爐的散熱損失較小，可以通過(guò)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，整修鍋爐本體及管道保溫層，防止和減少爐體表面熱量損失。

3.4 加熱爐負(fù)荷對(duì)加熱爐熱效率的影響

由于每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行效率都與其運(yùn)行負(fù)荷存在一定的關(guān)系，接下來(lái)將探討真空加熱爐運(yùn)行負(fù)荷與其運(yùn)行效率之間的關(guān)系。

首先通過(guò)加熱爐熱效率正平衡計(jì)算方法，計(jì)算在不同負(fù)荷下加熱爐的運(yùn)行效率。

表8 某區(qū)各集氣站熱效率統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)真空加熱爐熱效率與其負(fù)荷的關(guān)系圖2，可以看出真空加熱爐熱效率與其負(fù)荷存在兩個(gè)關(guān)系，一是當(dāng)負(fù)荷低于100%時(shí)，加熱爐熱效率與其負(fù)荷成正比關(guān)系；二是當(dāng)負(fù)荷大于100%時(shí)加熱爐熱效率與其負(fù)荷成反比關(guān)系，主要是因?yàn)楫?dāng)加熱爐超負(fù)荷運(yùn)行（負(fù)荷大于100%）時(shí)，供給的燃料氣相對(duì)于供給的空氣較多，此時(shí)氣體不完全燃燒，燃料會(huì)隨著煙氣排出，造成氣體不完全燃燒熱損失增大，從而使熱效率降低。

圖2 某區(qū)各集氣站加熱爐熱效率與負(fù)荷關(guān)系圖

1 號(hào)集氣站2號(hào)加熱爐負(fù)責(zé)對(duì)a井、b井、c井、d井生產(chǎn)的天然氣進(jìn)行換熱，而其中a井、b井、c井是高產(chǎn)井，井口來(lái)氣溫度較高均在42℃以上，因此這三口氣井來(lái)氣一般不需要換熱，而走加熱爐旁通管線(xiàn)。正常生產(chǎn)情況下2號(hào)加熱爐只為d井來(lái)氣進(jìn)行換熱，其實(shí)際負(fù)荷只有12%。這就解釋了為什么2號(hào)加熱爐熱效率偏低的原因。同時(shí)我們通過(guò)統(tǒng)計(jì)分，總結(jié)出熱負(fù)荷在50%額定負(fù)荷下區(qū)域，為非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；在50%~75%額定負(fù)荷區(qū)，為一般經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；在75%~100%額定負(fù)荷區(qū)，為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。

3.5 結(jié)垢積灰對(duì)加熱爐熱效率的影響

加熱爐結(jié)垢積灰會(huì)導(dǎo)致加熱爐受熱面導(dǎo)熱系數(shù)大大降低，影響傳熱效果，導(dǎo)致排煙溫度升高，降低加熱爐熱效率。加熱爐盤(pán)管結(jié)垢主要與其傳熱介質(zhì)有關(guān)，真空加熱爐的傳熱介質(zhì)一般采用蒸餾水。煙道積灰主要與其燃料氣有關(guān)，燃料氣內(nèi)雜質(zhì)過(guò)多則極易導(dǎo)致煙道積灰。

4 提高熱效率的措施

4.1 合理優(yōu)化加熱爐運(yùn)行負(fù)荷

當(dāng)加熱爐負(fù)荷在100%以?xún)?nèi)時(shí)，其熱效率與負(fù)荷成正比關(guān)系，因此為了提高加熱爐熱效率應(yīng)避免加熱爐超負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)最好能把加熱爐負(fù)荷控制在75%~100%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。針對(duì)1號(hào)集氣站2號(hào)加熱爐負(fù)荷過(guò)低的情況，可以把2號(hào)爐d井進(jìn)爐管線(xiàn)與1號(hào)爐預(yù)留管線(xiàn)通過(guò)一根跨線(xiàn)連接，用1號(hào)爐來(lái)滿(mǎn)足d井的換熱需求。在正常生產(chǎn)時(shí)2號(hào)加熱爐就可以停運(yùn)，同時(shí)還可以提高1號(hào)爐的負(fù)荷到92%，在減少自用氣消耗的同時(shí)還提高了加熱爐的熱效率。

圖4 加熱爐優(yōu)化運(yùn)行示意圖

4.2 及時(shí)清理火筒受熱面上的煙灰和水垢

由于煙灰的導(dǎo)熱系數(shù)為0.07~0.12kW /(m·K )，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)為1.28~3.14 kW /(m·K )，而鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為35.6~50.6 kW /(m·K )，大約是煙灰的463倍，水垢的19.5倍，這樣一來(lái)，假如加熱爐在運(yùn)行中，受熱面上的煙灰和水垢不及時(shí)清理，傳熱阻力將大大增加，造成排煙溫度升高。因此應(yīng)該及時(shí)清理火筒受熱面上的煙灰和水垢。

4.3 有效利用煙氣余熱

由于煙道內(nèi)的煙氣也具有較高的溫度，一般都在200℃以上。而目前徐深氣田所使用的真空加熱爐的燃料氣，均通過(guò)加熱爐換熱盤(pán)管加熱后再進(jìn)入燃燒器前，而這部分熱量不算作加熱爐有效輸出熱量，因此燃料氣的換熱降低了加熱爐的熱效率。如果在加熱爐煙道內(nèi)加入燃料氣換熱盤(pán)管，就可以利用煙氣余熱為燃料氣伴熱，在滿(mǎn)足需求的同時(shí)提高加熱爐熱效率。

4.4 控制風(fēng)量配比

一般來(lái)說(shuō)，燃料氣不可能在理論空氣量條件下完全燃燒，必須要在一定過(guò)?？諝饬康臈l件下才能完全燃燒。燃燒所用的實(shí)際空氣量與理論空氣量之比稱(chēng)為過(guò)?？諝庀禂?shù)α。而合理的過(guò)?？諝庀禂?shù)α=1.05～1.15。熱效率與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系如下圖所示。

從圖5中可以看出：當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)α ＞1.16時(shí)，隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)的增大，排煙熱損失不斷增大，熱效率也隨之降低；當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)α ＜1.16時(shí)，雖然排煙熱損失也隨過(guò)剩空氣系數(shù)的降低而降低，但不完全燃燒熱損失隨過(guò)?？諝庀禂?shù)的下降而增大，使熱效率也出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖5 熱效率與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系圖

而實(shí)際生產(chǎn)中為了準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)風(fēng)量配比，可以通過(guò)檢測(cè)煙氣中的一氧化碳含量，來(lái)控制燃燒空氣量。

4.5 采用耐熱和保溫新材料

采用耐熱和保溫新材料，如陶瓷纖維，不但耐高溫（1000℃以上）。而且導(dǎo)熱系數(shù)低，可以降低爐壁溫度從而減少爐體的散熱損失。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）加熱爐熱效率計(jì)算有正平衡法和反平衡法兩種方法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下只能用正平衡法計(jì)算加熱爐熱效率，而反平衡法則可以用于定性分析影響加熱爐熱效率的因素。

2）在計(jì)算加熱爐有效輸出熱量時(shí)，不能只計(jì)算天然氣的換熱量，還要計(jì)算天然氣中水的換熱量。

3）加熱爐熱量損失主要包括排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失和散熱損失。

4）可以通過(guò)以下措施來(lái)提高熱效率：及時(shí)清理火筒受熱面上的煙灰和水垢、控制風(fēng)量配比和采用耐熱和保溫新材料。

5）目前某氣田正處在上產(chǎn)階段，真空加熱爐的選型要充分考慮到氣井放產(chǎn)后負(fù)荷不能超過(guò)100%。集氣站內(nèi)存在多臺(tái)加熱爐時(shí)，應(yīng)做到整合優(yōu)化運(yùn)行，把低溫低產(chǎn)井都集中到一臺(tái)加熱爐。

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