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        定向吸熱膜材在真空相變加熱爐的應(yīng)用

        2021-03-06 09:13:54汪耀華喬玖春楊迪韓一龍
        石油石化節(jié)能 2021年2期

        汪耀華 喬玖春 楊迪 韓一龍

        (1.長慶油田分公司第十一采油廠;2.長慶油田分公司第四采油廠;3.吉林油田分公司吉松質(zhì)量技術(shù)檢測有限責(zé)任公司;4.吉林省光大節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司)

        在原油生產(chǎn)過程中,對于油井產(chǎn)出液所采用的儲存、運輸、油水分離、氣液分離等工藝,需要產(chǎn)出液或原油保持一定的溫度,才能不發(fā)生凝結(jié)。根據(jù)管道原油加熱溫度的相關(guān)標準規(guī)定,對油水混合液的加熱溫度不應(yīng)超過原油初始沸點,通常要加熱至40 ~50 ℃來增加原油(產(chǎn)出混合液)的流動性能。因此,要求加熱爐具有對液體處理和連續(xù)加熱的工作能力。

        1 真空相變加熱爐現(xiàn)狀

        在日常的生產(chǎn)過程中,大部分加熱爐需要24 h不間斷運行,由此消耗大量的能源,所以加熱爐系統(tǒng)是油田生產(chǎn)過程中第一大能源消耗體。為了降低能源消耗和減少生產(chǎn)成本,國內(nèi)各個油田早在20 世紀90年代就已經(jīng)開始使用真空相變加熱爐。

        1.1 技術(shù)特點及缺陷

        真空相變加熱爐系統(tǒng)主要由爐體部分和燃燒器等其他輔助設(shè)備組成。其工作原理是:燃料燃燒后產(chǎn)生的熱量在爐膛內(nèi)進行熱傳導(dǎo),使爐膛吸熱體真空膽內(nèi)處于負壓狀態(tài)的液態(tài)介質(zhì)(水或?qū)嵋海┪諢崮?,在一定的溫度條件下產(chǎn)生相變轉(zhuǎn)為蒸汽,再通過換熱器傳熱給被加熱介質(zhì)(油或混合液)。與被加熱工質(zhì)產(chǎn)生熱交換后,使得傳熱介質(zhì)(水或?qū)嵋海┮驕囟鹊慕档投淠?,并在重力的作用下落回原位,接著再進行加熱而轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。如此連續(xù)相變循環(huán),傳熱介質(zhì)通過蒸發(fā)-冷凝的相變過程,將熱量傳導(dǎo)到被加熱工質(zhì)。當傳遞熱能過程達到一種平衡狀態(tài)時,可以保持在負壓狀態(tài)低于當?shù)卮髿鈮毫l件下實現(xiàn)相變[1]。因此,真空相變加熱爐與普通加熱爐相比,具有能耗低、熱效率高、自動化程度高的優(yōu)勢[2]。

        但是,經(jīng)過十幾年的油田生產(chǎn)運行表明,真空相變加熱爐經(jīng)過5年以上運行后,其熱效率比初裝時的原始設(shè)計熱效率明顯要低。主要原因是:真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體表面由于長期運行形成的氧化膜層逐年加重,阻熱能力不斷加強,影響了真空相變加熱爐的熱交換水平。

        1.2 運行情況

        長慶油田第十一采油廠現(xiàn)有各類加熱爐334 臺,其中真空相變加熱爐30 臺,占比9%。其平均使用壽命超過7 年,最長使用壽命達到10 年,18 臺真空相變加熱爐已經(jīng)生產(chǎn)運行7 年以上(含7年)。依據(jù)國家標準GB/T 31453—2015《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》和石油行業(yè)標準SY/T 6381《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》等標準, 對該廠11 臺熱效率偏低的真空相變加熱爐進行了熱工監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn),實際平均熱效率為83.87%,而平均設(shè)計額定熱效率為90.34%,比平均設(shè)計額定熱效率低6.47%;平均排煙溫度為191 ℃,其中孟一聯(lián)1#、鎮(zhèn)一聯(lián)1#和鎮(zhèn)二聯(lián)1#、2#、3#加熱爐的排煙溫度均超200 ℃,占比45.45%。根據(jù)節(jié)能監(jiān)測綜合評價,8 臺加熱爐節(jié)能評價不合格,占比72.7%。節(jié)能改造前熱工測試結(jié)果[2-7]見表1。

        2 改造效果

        2.1 運行情況

        對11 臺真空相變加熱爐進行了原始工況條件下的熱效率測試。為了降低排煙溫度、提升熱效率和節(jié)能率,針對11 臺加熱爐排煙溫度、空氣系數(shù)不達標和熱效率低的原因,制定了加熱爐提效措施。根據(jù)提效措施,在真空相變加熱爐吸熱體(水冷壁)表面采用了定向吸熱膜材技術(shù)。經(jīng)過5個月運行后,對應(yīng)用此技術(shù)的真空相變加熱爐進行了熱工監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明,11臺真空相變加熱爐平均排煙溫度從191 ℃降至149.1 ℃,下降41.9 ℃;平均排煙處過量空氣系數(shù)從1.53 降至1.34,下降0.19;平均熱效率從83.87%升至88.30%,上升4.43%;平均節(jié)能率達到5.24%。節(jié)能改造后熱工測試結(jié)果見表2[2-7]。

        2.2 運行效果

        為了提升加熱爐熱效率和加溫效率,2019年對11臺真空相變加熱爐進行了盤管清垢、爐體大修等技術(shù)改造10 臺次,投入資金120.86 萬元,但技改后加熱爐熱效率和加溫效率提升并不明顯。2020 年,在真空相變加熱爐吸熱體表面采用了定向吸熱膜材技術(shù)后,其排煙溫度、剩余空氣系數(shù)、爐體外表溫度、熱效率、節(jié)能率五項考核技術(shù)指標合格率均達到100%,而且僅運行5個月節(jié)約天然氣459.37 t(標煤),折合人民幣45萬元。11臺真空相變加熱爐投入資金為53.35 萬元,預(yù)計半年內(nèi)收回成本。改造前后節(jié)能量計算結(jié)果匯總見表3,吸熱節(jié)能技術(shù)改造前后加熱爐吸熱體表面形態(tài)的對比情況見圖1、圖2。

        表1 節(jié)能改造前熱工測試結(jié)果

        表2 節(jié)能改造后熱工測試結(jié)果

        圖1 吸熱節(jié)能技術(shù)改造前表面形態(tài)

        圖2 吸熱節(jié)能技術(shù)改造后表面形態(tài)

        3 定向吸熱膜材的技術(shù)原理及優(yōu)點

        1)定向吸熱。在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的受熱體(水冷壁)表面誕敷定向吸熱膜材,當環(huán)境溫度達到200 ℃時,形成固化瓷膜。膜層在高溫?zé)嵩吹淖饔孟?,在吸熱體(水冷壁)表面垂直于其切線方向產(chǎn)生的電磁波穿過吸熱體表面向被加熱介質(zhì)直接輻射,使被加熱介質(zhì)的每一個分子同時獲得能量,提高了被加熱介質(zhì)的熱能吸收速率和熱能吸收效率,減少了排煙熱損失[8]。

        2)減少灰垢。由于部分電磁波被折射爐膛,使爐膛的未燃燼的灰垢分子受到多次輻射而產(chǎn)生不規(guī)則運動,這就增加了燃料懸浮粒子在爐膛內(nèi)的停留時間。在煙氣流漩渦分離作用下,細微燃料顆粒和飛灰甩回爐內(nèi),形成微爆實現(xiàn)二次燃燒,減少了真空相變加熱爐的化學(xué)熱損失和灰垢分子在爐膛內(nèi)的吸熱體表面的吸附力,也減少飛灰逸出量,保護環(huán)境[9]。

        3)抗磨抗氧化。在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體表面直接誕敷定向吸熱膜材。當環(huán)境溫度達到200 ℃時,定向吸熱膜材形成固化瓷膜,使真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的受熱體表面實現(xiàn)了全密閉保護,抗燃料和氣體沖磨、抗氧化,為設(shè)備的安全運行發(fā)揮重要的保護作用[10]。

        4 效益分析

        根據(jù)國家發(fā)改委提供的相關(guān)數(shù)據(jù),消耗天然氣1 t(標煤)可向大氣排放CO2為2.62 t、SO2為8.5 kg、NOx 為7.4 kg。11 臺真空相變加熱爐運行5 個月,節(jié)約天然氣459.37 t (標煤),可以減少 向 大 氣 排 放CO2為1 204 t、SO2為3 905 kg、NOx 為3 399 kg。所以,在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體(水冷壁)表面誕敷一種定向吸熱膜材,可以減少向大氣排放大量的有毒有害物質(zhì),凈化空氣,保護環(huán)境,創(chuàng)造非常可觀的社會效益。

        5 結(jié)論

        真空相變加熱爐在油田生產(chǎn)過程中,經(jīng)過長期運行,其爐膛內(nèi)的吸熱體表面會形成氧化膜層,阻止熱傳遞和熱交換能力,使真空相變加熱爐的熱效率不同程度地下降而浪費燃料。在真空相變加熱爐爐膛內(nèi)的吸熱體表面誕敷一種定向吸熱膜材,可以明顯提高吸熱體表面和被加熱介質(zhì)的吸熱能力,提高燃料的燃燒效率,減少排煙熱損失和化學(xué)不完全燃燒熱損失,延長加熱爐的使用壽命,降低維修和維護成本,從而實現(xiàn)節(jié)能降耗、增效、保護環(huán)境的目的。

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