邢臺 蘭海濤 李春保 馬金旭（青海油田鉆采工藝研究院節(jié)能監(jiān)測中心）

加熱爐高原運行監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)修正建議

邢臺 蘭海濤 李春保 馬金旭（青海油田鉆采工藝研究院節(jié)能監(jiān)測中心）

青海油田地處高原，油田集輸系統(tǒng)加熱爐運行指標(biāo)偏低，在熱效率、空氣系數(shù)、排煙溫度等指標(biāo)上與中國石油的平均指標(biāo)相比，存在較大的差距。根據(jù)油田歷年來的加熱爐監(jiān)測數(shù)據(jù)報告，對比加熱爐在高原和平原運行時多項監(jiān)測評定指標(biāo)的差別，特別是空氣系數(shù)和熱效率的指標(biāo)差別。探討了高海拔地區(qū)理論計算的空氣系數(shù)，提出針對油田燃氣加熱爐實施的新節(jié)能監(jiān)測規(guī)范指標(biāo)，并在高原加熱爐運行評價時進行修正。進一步確定高原加熱爐運行節(jié)能監(jiān)測的合理指標(biāo)，以便全面準(zhǔn)確評價高原運行加熱爐的用能效果。

青海油田；高原加熱爐；指標(biāo)；監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)；修正

油氣田加熱爐是油氣加工儲運過程中不可或缺的加熱設(shè)備，也是油氣田的主要能耗設(shè)備。油氣田加熱爐的能效評價標(biāo)準(zhǔn)是評定加熱爐能源利用率的程序和法規(guī)，油氣田加熱爐的能效評價標(biāo)準(zhǔn)是油氣田采購、制造和維修維護加熱爐的主要依據(jù)，同時加熱爐的監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)也是判定加熱爐運行過程中用能水平的主要指標(biāo)和依據(jù)。加熱爐使用過程中節(jié)能監(jiān)測評價指標(biāo)的合理選擇，對于規(guī)范加熱爐生產(chǎn)行業(yè)和提高加熱爐的節(jié)能運行管理水平具有重要意義。

1 油田現(xiàn)行的加熱爐節(jié)能監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)

目前，油田加熱爐節(jié)能監(jiān)測評價主要依據(jù)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》、SY/T 5264—2012《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》、SY/T 6381—2016《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件進行測試、計算和能效等級評價。作為油田燃氣加熱爐日常的節(jié)能監(jiān)測工作，按照監(jiān)測規(guī)范，主要采取三級監(jiān)測，通常采用反平衡法進行測試[1]。采用反平衡法測試，一方面方便日常的監(jiān)測工作，另一方面便于掌握加熱爐日常運行中能耗問題所在。監(jiān)測評價的指標(biāo)主要是排煙溫度、空氣系數(shù)、爐體外表溫度和熱效率。目前中石油加熱爐在選取加熱爐監(jiān)測評價指標(biāo)過程中，主要是依據(jù)GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》確定的四項考核指標(biāo)。

青海油田地處高原，生產(chǎn)基地平均海拔2900 m，根據(jù)多年來測試經(jīng)驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)，對加熱爐采用現(xiàn)行統(tǒng)一的監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)進行評價和考核，不能全面準(zhǔn)確反映高原加熱爐的節(jié)能運行水平。海拔3000 m的高原，由于空氣密度的變化，相同體積的空氣中，含氧量會發(fā)生相應(yīng)的變化，加熱爐燃燒的空氣系數(shù)也會發(fā)生變化；由于高原環(huán)境，季節(jié)溫差和日夜溫差較大，排煙溫度的要求也有較大差距；海拔升高，空氣密度降低，散熱和對流作用減弱，暴露在空氣中的加熱爐其外表溫度就會升高；此外，相同功率、負荷和外保溫材料情況下運行的鍋爐，外表溫度也會有所差別。測試參數(shù)也會對加熱爐的熱效率計算和總體評價產(chǎn)生差別。因此對于地處高原環(huán)境的青海、玉門等油田的加熱爐，在監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)上還應(yīng)區(qū)別對待。

2 高原環(huán)境對油田加熱爐運行監(jiān)測指標(biāo)的影響

2.1 熱效率

熱效率是衡量加熱爐生產(chǎn)制造和運行的一個重要指標(biāo)。對于采用反平衡法測試的加熱爐，其熱效率的計算與加熱爐的型號、容量、燃料種類、外部環(huán)境有著密切關(guān)系。加熱爐的熱效率指標(biāo)也是衡量加熱爐經(jīng)濟運行的綜合指標(biāo)。熱效率指標(biāo)與排煙熱損失、散熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失和空氣系數(shù)有密切的關(guān)系，其中排煙熱損失是決定熱效率高低的主要因素，其大小又取決于排煙溫度的高低和空氣系數(shù)的大小。

2.2 空氣系數(shù)

空氣系數(shù)不僅是加熱爐監(jiān)測的主要指標(biāo)之一，也是影響加熱爐熱效率的主要因數(shù)[2]。通常，最優(yōu)空氣系數(shù)值是通過大量的現(xiàn)場測試和應(yīng)用得出的經(jīng)驗數(shù)值?？諝庀禂?shù)在不同的海拔高度，由于空氣密度的變化，同體積內(nèi)的氧氣含量隨之變化，由于空氣密度和壓力的變化，加熱爐合理燃燒的空氣系數(shù)也會發(fā)生變化。根據(jù)多年的測試經(jīng)驗顯示，海拔越高，空氣系數(shù)的合理值越大。2011年中國石油股份公司對所屬各油田的3877臺油田加熱爐進行了節(jié)能監(jiān)測，平均熱效率為80.0%，平均空氣系數(shù)為2.3；勝利油田對其所屬的849臺加熱爐進行監(jiān)測，其平均熱效率為83.1%，空氣系數(shù)為1.6；青海油田2011年對各采油氣廠的150臺加熱爐進行了監(jiān)測，平均熱效率為80.12%，空氣系數(shù)為2.4。2015年中國石油對其所屬各油田（包括青海油田147臺）的3520臺加熱爐進行了監(jiān)測，平均熱效率為85.2%，空氣系數(shù)為1.7；同期青海油田對其所屬的油氣田的147臺加熱爐進行了監(jiān)測，平均熱效率為82.3%，平均空氣系數(shù)為2.2，具體情況見表1[3]。對于平原基本要達到1.65～1.75[4]的評價合格值，對于高原油田（青海油田海拔約在3000 m）的加熱爐監(jiān)測，有必要對空氣系數(shù)的監(jiān)測和評價作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

表1 2011、2015年加熱爐監(jiān)測指標(biāo)平均數(shù)據(jù)

2.3 空氣系數(shù)對熱效率的影響

加熱爐是靠燃料中的可燃成分與空氣中的氧氣充分混合燃燒后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿?。燃料燃燒時需要的氧氣來源于空氣，空氣中氧氣的體積分數(shù)約為21%，1 m3（0℃，101.325 kPa）天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下完全燃燒所需要的理論空氣量約為9.64 m3。

由于影響燃料完全燃燒程度的因素很多，其中空氣的供給量是否充分，燃料與空氣的混合是否良好是很重要的條件。加熱爐在實際運行中，燃料不可能在理論空氣量下完全燃燒，總要在有一定過?？諝饬康臈l件下才能完全燃燒，空氣需要量可由下式求得：

式中：α——空氣系數(shù)；

V——實際燃燒的空氣體積，m3；

V0——理論燃燒的空氣體積，m3。

對于加熱爐而言，在正常燃燒情況下的空氣系數(shù)α為1.05～1.20[5]。由于青海油田地處西北高原，地域內(nèi)的加熱爐使用海拔高度在3000 m左右，空氣中含氧量與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相比有較大的差異。

由于空氣壓力、溫度和密度符合理想氣體的狀態(tài)方程，因此在一定溫度下，大氣壓力與其密度成正比，三者的關(guān)系用理想氣體狀態(tài)方程表示如下：

式中：P——大氣壓力，Pa；

ρ——空氣密度，kg/m3；

T——熱力學(xué)溫度，K；

R——氣體常數(shù)，J/(kg·K）。

對于空氣的氣體常數(shù)R=287 J/(kg·K)，在已知某狀態(tài)的兩個基本參數(shù)時，根據(jù)式（2）就可以求出在該狀態(tài)下的空氣密度。

如果將空氣中含氧量近似為常數(shù)，通過公式（3）可以計算出不同海拔高度與地面等同條件下的相對氧氣密度，即

C——地面附近空氣中含氧量，%；

ρH——不同海拔高度的空氣密度，kg/m3。

不同海拔高度的相對氧氣密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧氣密度的比值，等于兩者單位體積氧氣含量的質(zhì)量比，這一比值實際上就是不同海拔高度燃燒所需實際空氣量的修正值，即

式中：K——高原修正系數(shù)；

ρ0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧氣密度，kg/m3。

當(dāng)外界溫度為15℃時，根據(jù)公式（2）可計算出不同海拔高度下的空氣密度。不同海拔高度下的空氣密度及空氣中的理論含氧量見表2。

由表2可知，隨著海拔高度的升高，空氣中含氧量也隨之降低。由于空氣中含氧量發(fā)生了變化，所以在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下計算出的理論空氣量值不適合高原地區(qū)。由此可以看出，只有將與海拔高度相對應(yīng)的空氣中含氧量作為主要參數(shù)，對燃燒所需要的實際空氣量進行修正，才能夠達到燃料以最小過量空氣系數(shù)完全燃燒的目的。

表2 海拔高度與空氣密度、理論含氧量的關(guān)系

由于海拔高度為零的地面附近空氣中含氧量為20.95%，按照公式（2），在此條件下地面附近的氧氣密度為

當(dāng)海拔高度在3000 m時，氧氣密度為

當(dāng)海拔高度在3000 m時，根據(jù)公式（3）其修正系數(shù)為

因此，海拔高度在3000 m時，水套加熱爐充分燃燒所需的實際空氣系數(shù)為α′=α/K=1.48。建議將青海油田加熱爐空氣系數(shù)控制在小于或等于2.2。

2.4 爐體外表溫度

爐體外表溫度是加熱爐運行監(jiān)測主要指標(biāo)之一。不同的海拔高度下，由于空氣密度的變化對運行設(shè)備的散熱有一定的作用。海拔升高，空氣密度降低，散熱和對流作用減弱，暴露在空氣中加熱爐外表溫度就會升高。相同功率、負荷和外保溫材料情況下運行的鍋爐，外表溫度也會有所差別。海拔每升高100 m，溫度增加0.1～0.4℃。對于安裝在室外的加熱爐，氣候溫度也會隨海拔的升高而降低，海拔每升高100 m，氣溫降低約0.6℃，可以部分抵消由于海拔升高的溫度影響。

由表1可知，實際監(jiān)測中所有加熱爐的表面溫度完全達標(biāo)，而且遠低于50℃的限定值；因此，高原環(huán)境對加熱爐的外表面溫度評定基本不受影響。

3 排煙溫度對熱效率的影響

排煙熱損失是決定熱效率高低的主要因數(shù)，其大小取決于排煙溫度和空氣系數(shù)的高低。排煙溫度越高，排出煙氣的熱焓值越高，帶走的熱量就越多；降低排煙溫度可提高熱效率，但排煙溫度也不是越低越好，排煙溫度過低，會使煙氣中的SO2、CO2等對加熱爐煙道和尾部受熱面造成腐蝕，縮短設(shè)備的使用壽命。

排煙溫度的高低直接影響到排煙損失率的大小，排煙溫度每降低10～15℃，加熱爐熱效率就可以提高1%[6]；因此，應(yīng)將排煙溫度控制在合理范圍之內(nèi)。根據(jù)SY/T 5262—2009《火筒式加熱爐規(guī)范》，排煙溫度按當(dāng)?shù)責(zé)煔饴饵c溫度（青海油田冬季平均酸露點溫度為90℃）加20～30℃的規(guī)定，在日常生產(chǎn)中，將加熱爐排煙溫度控制在130～160℃之間較為合適。根據(jù)表1實測，實際排煙溫度也在此范圍之內(nèi)。

加熱爐在實際運行中，燃料燃燒和換熱過程非常復(fù)雜?？諝庀禂?shù)的變化對加熱爐的排煙熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失和熱效率都有很大的影響。空氣系數(shù)越大，表明進入爐內(nèi)的空氣增多，排煙容積就越大，排煙熱損失q2顯著增大，大量熱量隨煙氣排放至大氣?？諝庀禂?shù)過大，一方面會使?fàn)t內(nèi)燃燒溫度下降，煙氣中的CO難以完全燃燒，導(dǎo)致不完全燃燒熱損失q3增大；另一方面會使煙氣在爐內(nèi)的流速加快，燃料在爐內(nèi)未能充分燃燒就排出，導(dǎo)致q3增大，熱效率下降。

由表3可知，排煙熱損失隨排煙溫度的升高和過量空氣系數(shù)的增大而增大。在相同工況下，當(dāng)排煙溫度在150℃時，過量空氣系數(shù)每增加0.1，排煙熱損失增加0.528%；當(dāng)排煙溫度在200℃時，空氣系數(shù)每增加0.1，排煙熱損失增加0.705%。

表3 排煙熱損失（按標(biāo)準(zhǔn)組分計算）

根據(jù)實際測試經(jīng)驗可知，燃燒時排煙熱損失q2是決定熱效率高低的主要因數(shù)，其大小取決于排煙溫度、空氣系數(shù)的高低。即：排煙溫度越高，排出煙氣的熱焓值越高，帶走的熱量就越多；空氣系數(shù)越高，說明進入加熱爐內(nèi)的空氣過多，大量的過?？諝怆S著排煙，將較多的熱量從煙道排入大氣，熱損失增大，熱效率下降。此外，空氣系數(shù)過大還使火筒內(nèi)燃燒溫度下降，從而減小熱輻射強度，增加燃料用量，導(dǎo)致熱效率下降。因此，根據(jù)不同海拔高度，選擇合適的空氣系數(shù)，是合理控制排煙溫度、提高爐效的重要手段。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)行加熱爐監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)，影響加熱爐監(jiān)測結(jié)果和評判的主要標(biāo)準(zhǔn)有四項，其中和外部環(huán)境相關(guān)的因數(shù)主要有空氣系數(shù)、爐體外表溫度?？諝庀禂?shù)對加熱爐整體熱效率的影響又是主要因素之一，排煙溫度與環(huán)境和季節(jié)有一定的關(guān)系。從理論計算可以作為一個分析補償手段，但要確定不同海拔高度的監(jiān)測和評價標(biāo)準(zhǔn)，還需做進一步的現(xiàn)場試驗和測試對比數(shù)據(jù)。建議應(yīng)加強此項測試研究工作。

[1]國家能源局.石油工業(yè)用加熱爐熱工測定：SY/T 6381—2016[S].北京：石油工業(yè)出版社，2016：3-13.

[2]高麗霞，袁隆基，周澤妮，等.確定最佳過量空氣系數(shù)的新方法[J].煤礦機械，2009，30（8）：31.

[3]李秀娟.油田加熱爐節(jié)能運行的綜合評價[D].大慶：東北石油大學(xué)，2011.

[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范：GB/T 31453—2015[S].北京：石油工業(yè)出版社，2015：4-5.

[5]徐學(xué)慧，陶進峰.基于NOx的平焰燃燒加熱爐最佳過剩空氣系數(shù)的數(shù)值研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2012，38（12）：55-57.

[6]施益昌.通過控制過量空氣系數(shù)提高注氣鍋爐熱效率[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2004（1）：16-17.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.020

2016-11-06

（編輯 張興平）

邢臺，高級工程師，1987年畢業(yè)于華東石油學(xué)院（礦場機械專業(yè))，從事節(jié)能監(jiān)測及節(jié)能節(jié)水技術(shù)研究，E-mail：xtqh@petrochina.com.cn，地址：甘肅敦煌七里鎮(zhèn)鉆采工藝研究院，736202。