王宗明 王杰松 王云鵬 李以善

（1.中國石油大學(xué)（華東）；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司）

加熱爐在油田油氣集輸系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其能耗較高，在油氣集輸系統(tǒng)總能耗中占很大比例[1]，占油田總能耗的四分之一左右[2]，降低加熱爐熱損失、提高其熱效率對(duì)降低油田生產(chǎn)成本、提高油田的整體效益具有十分重要的意義。

造成油田加熱爐能效較低的原因很多，主要是油田加熱爐現(xiàn)場使用條件變化較大，如油氣產(chǎn)量、環(huán)境溫度等經(jīng)常變動(dòng)。如果加熱爐參數(shù)不能自動(dòng)適應(yīng)，就會(huì)導(dǎo)致加熱條件與物料參數(shù)不匹配，使加熱爐運(yùn)行效率降低；或者爐型落后，本身設(shè)計(jì)效率不高，也會(huì)導(dǎo)致燃料利用率不高，造成損失。近年來，國家政策不斷完善，環(huán)保要求日益嚴(yán)格，對(duì)能源利用效率也提出了更高的指標(biāo)。油田相關(guān)單位針對(duì)油田加熱爐在高效清潔燃燒、節(jié)能環(huán)保等方面做了大量的研究，取得了較大的成果。國家《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》要求國內(nèi)萬元生產(chǎn)總值能耗繼續(xù)降低，到2020年應(yīng)比2015年下降15%[3]，加熱爐又是油田生產(chǎn)中的耗能大戶，進(jìn)一步提高加熱爐運(yùn)行效率仍是非常緊迫的一個(gè)問題。

1 油田加熱爐運(yùn)行現(xiàn)狀分析

油田加熱爐通過燃燒器將燃料燃燒，產(chǎn)生火焰和炙熱的煙氣，以加熱原油、天然氣、水等介質(zhì)。目前，油田常用的加熱爐主要是水套式加熱爐、管式加熱爐以及導(dǎo)熱油爐等[4-5]。油田加熱爐受油井生產(chǎn)的限制，熱負(fù)荷波動(dòng)較大；而且往往單臺(tái)熱負(fù)荷偏小，雖然被加熱介質(zhì)流量較大，但是要求溫升小，一般不超過50℃。近幾年，國內(nèi)油田非常重視對(duì)加熱爐運(yùn)行狀況的測試分析[1，6-8]，典型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 國內(nèi)油田加熱爐運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

由表1可知，國內(nèi)油田加熱爐過?？諝庀禂?shù)大、排煙溫度高、熱效率低等情況普遍存在。目前國外先進(jìn)水平加熱爐的平均熱效率可達(dá)85%～90%[1]，因此，我國油田加熱爐的平均熱效率仍然較低。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)場加熱爐良莠不齊，差異很大，部分產(chǎn)品熱效率較低；現(xiàn)場工作人員操作不夠精細(xì)，沒有及時(shí)調(diào)控加熱爐運(yùn)行參數(shù)，導(dǎo)致加熱爐沒有在設(shè)計(jì)工藝參數(shù)下運(yùn)行[9]。

國內(nèi)油田加熱爐熱效率與國外先進(jìn)水平加熱爐相比仍有差距，而且國內(nèi)油田的生產(chǎn)成本偏高，進(jìn)一步降低加熱爐的熱損失，提高其熱效率迫在眉睫。

2 加熱爐常用節(jié)能措施

2.1 提高燃燒效率

加熱爐把油氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能加以利用，燃燒器是其關(guān)鍵部件。對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，采用新型燃燒技術(shù)，或更換新型燃燒器，提高燃料燃燒效率是提高加熱爐整體效率的前提。近年來，多種高效燃燒技術(shù)應(yīng)用到油田加熱爐上，如燃油改燃?xì)?、高效霧化燃燒技術(shù)、蓄熱燃燒技術(shù)、脈動(dòng)燃燒技術(shù)、分級(jí)燃燒技術(shù)及富氧燃燒技術(shù)等[10-13]。保證燃燒高效、穩(wěn)定地進(jìn)行，通過燃燒高效地完成能量轉(zhuǎn)換，得到盡量多的熱能，才有可能提高加熱爐熱效率。

2.2 煙氣余熱利用

排煙熱損失是造成加熱爐熱效率低的重要因素[11-14]，排煙溫度高，煙氣帶走的熱量多，加熱爐熱效率下降。排煙溫度每降低13℃左右，就可以使加熱爐熱效率提高1%。加設(shè)對(duì)流室或擴(kuò)大對(duì)流室傳熱面積，可以充分利用煙氣熱量，降低排煙溫度。在一定范圍內(nèi)，隨著助燃風(fēng)溫度增加，加熱爐熱效率增大。對(duì)于管式加熱爐，助燃風(fēng)溫度增加20℃左右，爐子熱效率可增大1%。應(yīng)用空氣預(yù)熱器加熱助燃風(fēng)，既可以充分利用煙氣余熱、降低排煙熱損失，又可增加助燃風(fēng)溫度，增大加熱爐熱效率；因此，采用空氣預(yù)熱器回收煙氣熱量是非常有效的節(jié)能措施。在條件具備時(shí)，也可以在加熱爐尾部安裝余熱回收換熱器。

2.3 減少爐墻散熱損失

爐墻內(nèi)側(cè)為耐火層和隔熱層，外側(cè)為金屬壁面，但是爐體外表面溫度仍然會(huì)高于環(huán)境溫度，爐壁熱量會(huì)傳到環(huán)境中造成熱損失。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，加熱爐爐壁散熱損失較大，是加熱爐三大熱損失之一，有時(shí)甚至?xí)^30%[12-13]。為了增加爐墻熱阻，可以選用導(dǎo)熱系數(shù)更低的爐襯材料，如新型耐火纖維、陶瓷纖維等；或者既在內(nèi)部設(shè)置爐襯，也在爐壁外噴隔熱涂料，可明顯降低散熱損失，提高加熱爐熱效率。因此，在經(jīng)濟(jì)性允許的前提下，增加爐壁熱阻，降低爐壁外表溫度，是加熱爐節(jié)能的基本途徑，也是廣泛應(yīng)用的節(jié)能措施。另外，爐墻密封不好，有氣體漏入，也會(huì)增加熱損失，漏入的空氣會(huì)增加煙氣量，使排煙損失增加。

2.4 合理控制過?？諝饬?/h3>

加熱爐運(yùn)行中，過?？諝饬刻停菀讓?dǎo)致燃燒不完全；但過?？諝饬刻?，也會(huì)增加煙氣量，降低燃燒溫度，減少火焰和煙氣對(duì)爐管的傳熱量，而且煙氣量太大也會(huì)增加排煙熱損失。過?？諝庀禂?shù)過大或過小都不利于實(shí)現(xiàn)高效燃燒，油田加熱爐過?？諝庀禂?shù)往往偏大[12-14]，是造成加熱爐效率較低的重要原因。對(duì)于油田集輸系統(tǒng)中的大功率加熱爐，應(yīng)安裝助燃風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)燃燒器出力等參數(shù)的變化，自動(dòng)控制加熱爐過?？諝庀禂?shù)，在保證燃燒高效、穩(wěn)定的條件下，應(yīng)盡量減少過?？諝饬?。

2.5 提高加熱爐負(fù)荷率

在一定范圍內(nèi)，隨著負(fù)荷率的增大，加熱爐熱效率呈增大趨勢(shì)[4]，適當(dāng)提高加熱爐負(fù)荷率[14]可以提高加熱爐的熱效率。具體來說，應(yīng)綜合考慮待處理油品的流量和溫升要求，結(jié)合現(xiàn)場加熱爐的額定功率，整合參數(shù)相同的加熱任務(wù)，盡量保證單臺(tái)加熱爐在較高的負(fù)荷率下運(yùn)行，關(guān)停部分加熱爐，通過單臺(tái)加熱爐效率的提高和實(shí)際運(yùn)行加熱爐臺(tái)數(shù)的減少，實(shí)現(xiàn)加熱爐的節(jié)能降耗。

2.6 提高傳熱效率

保證了燃燒器的燃燒效率，下一步的關(guān)鍵就是如何把燃燒產(chǎn)生的熱量高效地傳遞給被加熱介質(zhì)。爐內(nèi)傳熱涉及多種因素，包括火焰及煙氣與爐管的傳熱、爐管壁面內(nèi)的熱傳導(dǎo)以及爐管壁面與被加熱介質(zhì)的傳熱，如果是熱媒式加熱爐，還涉及到熱媒與被加熱介質(zhì)間的換熱。針對(duì)傳熱的各個(gè)環(huán)節(jié)，有多種傳熱強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于油田加熱爐，以提高爐內(nèi)的傳熱效率[15-19]，主要措施有：

1）優(yōu)化盤管設(shè)計(jì)，提高對(duì)流換熱系數(shù)；

2）及時(shí)清理加熱爐爐管結(jié)垢，提高爐管傳熱效率；

3）改善爐內(nèi)流動(dòng)特性，增強(qiáng)對(duì)流換熱；

4）在爐管表面制作陶瓷涂層薄膜，減少結(jié)垢，強(qiáng)化傳熱效果；

5）在爐壁內(nèi)側(cè)噴涂紅外輻射涂料，將輻射熱量反射回爐內(nèi)，提高爐管的輻射吸收率。

3 加熱爐節(jié)能增效新技術(shù)

3.1 MVR低溫?zé)煔鉄峄厥占夹g(shù)

為了降低排煙溫度，常在加熱爐上加裝空氣預(yù)熱器或增加對(duì)流段面積。但是，受加熱爐的原設(shè)計(jì)條件和加熱爐型式所限，加熱爐排煙溫度不能太低。實(shí)際上，即使排煙溫度達(dá)標(biāo)，由于露點(diǎn)腐蝕及爐型的限制，排煙溫度一般仍會(huì)大于150℃，明顯大于環(huán)境溫度。因此，根據(jù)水汽化潛熱大的特點(diǎn)，利用煙氣余熱產(chǎn)生低壓蒸汽，使煙氣溫度進(jìn)一步降低。然后將低壓蒸汽進(jìn)行機(jī)械壓縮，提升蒸汽溫度，并采用相變傳熱換熱器對(duì)油品進(jìn)行預(yù)加熱，這樣可以進(jìn)一步回收利用煙氣熱量。機(jī)械蒸汽再壓縮[20-21]（MVR）低溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)流程見圖1。該技術(shù)尤其適合于現(xiàn)場廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽無合適用途的情況。

以1.4MW加熱爐為例，對(duì)180℃低溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱回收利用，可以降低燃料消耗，節(jié)能超過8%。需要的主要設(shè)備為煙氣換熱器、蒸汽壓縮機(jī)和原油預(yù)熱換熱器等，投資回收期小于1.5年。

3.2 火焰形狀匹配技術(shù)

應(yīng)用新型燃燒器或高效燃燒技術(shù)，基本可以保證燃料的充分燃燒。但對(duì)于具體爐膛來說，火焰形狀將影響火焰及煙氣與爐管的傳熱效率?；鹧嫘螤钪饕侵富鹧娴拈L度、直徑等，火焰形狀與爐管匹配較好，有助于提高輻射室的傳熱效率[22-23]?；鹧嫘螤畈缓线m，會(huì)導(dǎo)致爐管表面熱流強(qiáng)度分布不均勻，局部熱流強(qiáng)度過大，容易引起管內(nèi)該部位結(jié)焦，縮短清焦周期，也不利于熱量傳遞。使?fàn)t管表面熱流強(qiáng)度分布均勻，爐管表面最大熱流強(qiáng)度也會(huì)降低，消除了局部過熱，可延緩結(jié)焦，從而提高爐管整體取熱效率。

要獲得火焰形狀與爐膛、爐管結(jié)構(gòu)的良好匹配關(guān)系，需要針對(duì)具體爐膛、爐管結(jié)構(gòu)性進(jìn)行研究，一般需要用數(shù)值模擬軟件來計(jì)算分析。以某煉油廠裂解爐為例，應(yīng)用新型燃燒器，調(diào)整火焰形狀，裂解爐輻射傳熱效率大幅度提高，加熱爐同等加工量的燃料消耗降低了11%[23]。

3.3 納米流體傳熱強(qiáng)化技術(shù)

傳統(tǒng)傳熱工質(zhì)（如水、油、醇等）傳熱效能較低，影響了加熱爐、換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊性和傳熱效率，在液體中添加高導(dǎo)熱系數(shù)的固體顆?？梢蕴岣呋旌衔锏膶?dǎo)熱系數(shù)，但固體顆粒易沉淀出來。納米流體是將微量的納米顆粒（1～100nm），以一定的方式和比例（0.05～0.1體積分?jǐn)?shù)）與基液（水、油或其他液體）混合，形成一種導(dǎo)熱系數(shù)高、均勻穩(wěn)定的新型傳熱工質(zhì)。通過研究發(fā)現(xiàn)，金屬、金屬氧化物、碳納米管、石墨等納米顆粒與水和其他液體所形成的納米流體傳熱強(qiáng)化效果非常明顯[24-25]，其導(dǎo)熱系數(shù)可比水提高近10倍，對(duì)流換熱系數(shù)提高3～5倍。將納米流體傳熱強(qiáng)化技術(shù)用于導(dǎo)熱油爐或者水媒加熱爐，只需添加納米粒子及相應(yīng)的混合器，不需要改變加熱爐結(jié)構(gòu)，可顯著提高其傳熱效率。

3.4 太陽能輔助加熱技術(shù)

近年來，能源形勢(shì)日益嚴(yán)峻，新能源替代步伐不斷加快，太陽能輔助加熱鍋爐技術(shù)發(fā)展迅速[26-28]。該技術(shù)是指將太陽能集熱-蓄熱系統(tǒng)作為一個(gè)輔助加熱環(huán)節(jié)，與鍋爐熱力系統(tǒng)結(jié)合使用。結(jié)合的形式有多種，可以是太陽能與燃煤鍋爐結(jié)合，也可以是太陽能與燃油鍋爐結(jié)合。按照需求不同，可以是低溫利用，也可以是高溫利用。太陽能與常規(guī)能源結(jié)合利用是新能源利用的一個(gè)亮點(diǎn)，太陽能輔助加熱爐系統(tǒng)流程見圖2。

圖1 MVR低溫?zé)煔鉄峄厥占夹g(shù)

圖2 太陽能輔助加熱爐系統(tǒng)流程

太陽能中高溫?zé)彷o助鍋爐系統(tǒng)可以產(chǎn)生100～300℃的熱水和蒸汽。太陽能與傳統(tǒng)鍋爐相結(jié)合，通過減少鍋爐燃料用量來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，節(jié)能效果顯著[27-28]。采用納米強(qiáng)化固-液相變（NePCM）蓄熱技術(shù)[29-30]，同體積設(shè)備的蓄熱能力比水箱蓄熱可提高5～10倍，能使太陽能系統(tǒng)更加緊湊，為油田加熱爐的太陽能輔助加熱提供了可能。

針對(duì)山東力諾集團(tuán)10t/h燃煤蒸汽鍋爐，進(jìn)行太陽能輔助加熱試驗(yàn)，節(jié)約燃料8.54%，并減少CO2的排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的環(huán)境效益[28]?？紤]到油田燃料（燃油或燃?xì)猓﹥r(jià)格遠(yuǎn)高于煤，系統(tǒng)投資回收期小于3年。

4 結(jié)論

國家節(jié)能減排的要求不斷提高，同時(shí)低油價(jià)給油田生產(chǎn)也帶來了巨大的壓力，故迫切需要進(jìn)一步降低油田生產(chǎn)能耗水平。通過一段時(shí)間努力，傳統(tǒng)的、顯而易見的節(jié)能措施大多已經(jīng)付諸實(shí)施，要進(jìn)一步降低油田加熱爐能耗水平，必須進(jìn)行更深入的研究，采用更先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，回收低溫?zé)煔鉄崃俊?qiáng)化加熱爐內(nèi)部傳熱以及新能源利用將成為油田加熱爐節(jié)能降耗的新途徑。