馬強（中國石油遼河油田分公司）

加熱爐負荷率對熱效率影響趨勢的試驗研究

馬強（中國石油遼河油田分公司）

油田加熱爐是地面集輸、處理與輸送各個環(huán)節(jié)中必不可少的重要生產(chǎn)設(shè)施之一，同時也是油氣田重點耗能設(shè)備。通過試驗分析加熱爐運行負荷率與熱效率的關(guān)系，對現(xiàn)場加熱爐的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總，分析單臺加熱爐效率與負荷率關(guān)系及同一功率范圍內(nèi)不同加熱爐效率與負荷率的關(guān)系，得出不同類型加熱爐的負荷率對效率的影響程度，并從理論上分析熱負荷與能耗的變化關(guān)系。

油田加熱爐；節(jié)能；負荷率；熱效率

油田加熱爐是油氣生產(chǎn)的重要設(shè)施之一，是地面集輸、處理與輸送各個環(huán)節(jié)中必不可少的重要生產(chǎn)設(shè)備。油井井口加熱、摻水、熱洗、轉(zhuǎn)油站含水油外輸、原油脫水、聯(lián)合站凈化油外輸、原油穩(wěn)定、成品油輸運，以及地面設(shè)施的供暖和伴熱等環(huán)節(jié)都離不開這一設(shè)備。油氣田在用加熱爐以水套式加熱爐、火筒式加熱爐、相變式加熱爐和管式加熱爐為主[1-2]。

1 加熱爐負荷率

一般情況下，加熱爐負荷率的允許操作上限為110%～120%，主要考慮爐膛體積和煙氣側(cè)阻力限制的因素。在分析加熱爐熱負荷對效率的影響時，主要是基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，研究結(jié)果表明：隨著熱負荷的降低，燃料供給量隨之下降，爐膛內(nèi)火焰的充滿度降低，輻射效果變差[3-4]。此外，降低負荷后爐壁的散熱量相對增大，散熱損失增加，進而導(dǎo)致熱效率下降。若將負荷提高到設(shè)計負荷以上，則需增強爐膛內(nèi)的輻射強度，提高爐膛溫度，進而引起排煙溫度升高，同樣會導(dǎo)致效率下降[5-6]。

2 單臺加熱爐效率與負荷率關(guān)系

2.1 火筒式直接加熱爐

試驗分別對額定熱負荷為0.58 MW、1.163 MW、1.74 MW以及2.33 MW的火筒式直接加熱爐（火筒爐）在不同負荷率下的效率進行了測試（表1）。

表1 火筒爐負荷率和效率匯總

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制了火筒爐效率隨負荷率變化的關(guān)系曲線（圖1）。

圖1 火筒爐效率、負荷率曲線

由圖1可知，在所測負荷率的范圍內(nèi)，隨著負荷率的增大，大部分火筒爐（0.58 MW、1.163MW、1.74 MW）的效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢?？傮w來說，火筒爐的效率隨負荷率的變化而變化。隨著負荷率的增加，火筒爐的效率變化趨勢是先升高后降低，即有一個最高效率點；同一負荷率下，大額定功率的加熱爐效率一般高于小額定功率的加熱爐效率，在負荷率超過一定數(shù)值（70%左右）時，這個規(guī)律更加明顯。

2.2 管式加熱爐

試驗分別對額定熱負荷為1.163 MW、1.74 MW以及2.33 MW的管式加熱爐在不同負荷率下的效率進行了測試（表2）。

表2 管式加熱爐負荷率和效率匯總

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制了管式加熱爐效率隨負荷率變化的關(guān)系曲線（圖2）。

圖2 管式加熱爐效率、負荷率曲線

由圖2可知，管式加熱爐的效率隨負荷率的增加而增加。3#加熱爐效率隨著負荷率的增加，先升高后降低，即存在最高效率點；同一負荷率下，大額定功率的加熱爐效率一般高于小額定功率的加熱爐效率，在負荷率超過一定數(shù)值（70%左右）時，這個規(guī)律更加明顯。

2.3 相變加熱爐

試驗分別對額定熱負荷為0.58 MW、1.5 MW以及1.74 MW的相變加熱爐的負荷率與效率進行測試（表3）。

表3 相變加熱爐負荷率和效率匯總

根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制了相變加熱爐的效率隨負荷率變化的關(guān)系曲線（圖3）。

圖3 相變加熱爐效率、負荷率曲線

由圖3可知，對于小功率的相變加熱爐（0.58 MW），加熱爐的效率隨負荷率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律；對于較大功率的相變加熱爐（1.5 MW、1.74 MW），隨著負荷率的增大，加熱爐效率升高；在同一負荷率下，大額定功率的加熱爐效率高于小額定功率的加熱爐效率，但1.5 MW與1.75 MW的相變加熱爐效率區(qū)分不明顯。

3 同一功率范圍內(nèi)不同加熱爐效率與負荷率的關(guān)系

3.1 火筒爐

試驗選取加熱爐額定功率在1.5 MW＜P＜2.0 MW和2.0 MW≤P＜2.5 MW范圍內(nèi)，且排煙溫度和空氣系數(shù)相近的火筒爐，統(tǒng)計不同負荷率時的效率情況（表4）。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制出火筒爐在不同功率范圍內(nèi)的效率隨負荷率變化的曲線（圖4、圖5）。

由圖4、圖5可知，在空氣系數(shù)和排煙溫度相近時，火筒爐的負荷率對效率的影響在不同的功率范圍內(nèi)有所差異。對于1.5 MW＜P＜2.0 MW的火筒爐，隨著負荷率的增大，效率呈現(xiàn)先增大后降低的變化規(guī)律；對于2.0 MW≤P＜2.5 MW的火筒爐，隨著負荷率的增大，效率呈增大趨勢。

表4 火筒爐負荷率和效率匯總

表5 管式加熱爐負荷率和效率匯總

表6 相變加熱爐負荷率和效率匯總

圖4 火筒爐效率、負荷率曲線（1.5＜P＜2.0）

圖5 火筒爐效率、負荷率曲線（2.0≤P＜2.5）

3.2 管式加熱爐

試驗選取加熱爐額定功率在2.0 MW≤P＜2.5MW和2.5 MW≤P≤12 MW范圍內(nèi)，且排煙溫度和空氣系數(shù)相近的管式加熱爐，統(tǒng)計不同負荷率時的效率情況。

根據(jù)表5數(shù)據(jù)繪制出管式加熱爐在不同功率范圍內(nèi)的效率隨負荷率變化的曲線（圖6、圖7）。

圖6 管式爐效率、負荷率曲線（2.0≤P＜2.5）

圖7 管式爐效率、負荷率曲線（2.5≤P≤12）

由圖6、圖7可知，在空氣系數(shù)和排煙溫度相近時，管式加熱爐的負荷率對效率的影響在不同的功率范圍內(nèi)有所差異。對于2.0 MW≤P＜2.5 MW的管式加熱爐，隨著負荷率的增大，效率呈先增大后降低的變化規(guī)律；對于2.5 MW≤P≤12 MW的管式加熱爐，隨著負荷率的增大，效率呈增大趨勢。

3.3 相變加熱爐

試驗選取加熱爐額定功率在1.2 MW＜P＜2.0 MW和2.0 MW≤P＜2.5 MW范圍內(nèi)，且排煙溫度和空氣系數(shù)相近的相變加熱爐，統(tǒng)計不同負荷率時的效率情況（表6）。

根據(jù)表6數(shù)據(jù)繪制出相變加熱爐在不同功率范圍內(nèi)的效率隨負荷率變化的曲線（圖8、圖9）。

圖8 相變爐效率、負荷率曲線（1.2＜P＜2）

由圖8、圖9可知，在空氣系數(shù)和排煙溫度相近時，管式加熱爐的負荷率對效率的影響在不同的功率范圍內(nèi)有所差異。對于2.0 MW≤P＜2.5 MW的管式加熱爐，隨著負荷率的增大，效率呈先增大后降低的變化規(guī)律。

圖9 相變爐效率、負荷率曲線（2.0≤P＜2.5）

4 結(jié)論

根據(jù)以上試驗的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可初步得出以下規(guī)律：

1）同一臺加熱爐，隨著負荷率的增加，效率呈增加或先增加后降低的變化趨勢。

2）對于同一類型的加熱爐，額定功率不同，最高效率不同，最高效率所對應(yīng)的負荷率可能也不同。

3）同一類型、不同額定功率范圍的加熱爐在同一負荷率下，效率不同，額定功率大的加熱爐效率較高。

4）同一類型，某一功率范圍內(nèi)的不同加熱爐，隨著負荷率的增加，效率呈增加或先增加后降低的趨勢。

5）加熱爐效率與加熱爐類型、額定功率、負荷率有關(guān)，在對加熱爐的運行進行評價時，需綜合考慮各個因素，對不同類型、不同額定功率（范圍）、不同負荷率的加熱爐給出不同判別指標(biāo)值。

[1]馬強，婁銀環(huán).相變加熱式水蒸氣導(dǎo)入技術(shù)在礦場油氣集輸系統(tǒng)的應(yīng)用[J].節(jié)能，2013，32（5）：55-57．

[2]馬強.遼河油田加熱爐提效技術(shù)應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2016，6（11）：26-28．

[3]武俊憲，馬強，關(guān)天勢.基于測試數(shù)據(jù)的節(jié)能量計算方法[J].石油石化節(jié)能，2013，3（8）：56-58．

[4]馬強.基于節(jié)能率的節(jié)能量計算方法研究[J].石油石化節(jié)能，2015，5（3）：50-51．

[5]王東，張洪江，馬強.加熱爐分級測試與經(jīng)濟運行研究綜述[J].石油石化節(jié)能，2016，6（2）：42-45．

[6]馬強.油田用加熱爐技術(shù)綜述[J].石油和化工節(jié)能，2016，（5）：7-11．

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.002

2017-02-13

（編輯 王艷）

馬強，高級工程師，2003年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專業(yè)），從事節(jié)能管理工作，E-mail：starmq@163.com，地址：遼寧省盤錦市興隆臺區(qū)遼河油田質(zhì)量節(jié)能管理部節(jié)能技術(shù)科，124010。

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“低碳關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011E24）。