宮立明（大慶油田有限責任公司采氣分公司（儲氣庫分公司））

隨著氣田開發(fā)不斷深入，現(xiàn)有氣田生產(chǎn)工藝耗能節(jié)點、運行參數(shù)等隨生產(chǎn)負荷改變出現(xiàn)較大變化，耗能設備負荷率、熱效率降低，造成能量利用率低、能耗偏高，氣田能耗管理難度逐漸加大，生產(chǎn)管理成本增加。氣田主要消耗能源為天然氣，占能源消耗總量的90%以上，其中又以加熱爐消耗天然氣量最多，占天然氣消耗量的80%。因此有必要開展進行加熱爐能效評價、節(jié)能降耗技術(shù)研究，開展加熱爐提效研究，提高天然氣利用水平，挖掘節(jié)能潛力，降低氣田綜合能耗，實現(xiàn)氣田節(jié)能減排、經(jīng)濟開發(fā)[1]。

1 氣田加熱爐存在的問題

某氣田在用加熱爐830臺，主要有水套爐、熱媒爐、相變爐等。其中：使用15 a以上的有259臺（占總數(shù)的31.24%），使用10 a以上的有383臺（占總數(shù)的46.11%）；而集團公司使用年限超過使用壽命的加熱爐有35.0%左右。使用年限長的加熱爐存在換熱面結(jié)垢嚴重，運行熱效率遠低于投產(chǎn)時熱效率等問題，部分加熱爐爐效只有60%左右，主要原因是隨著生產(chǎn)工況變化，加熱爐實際運行工況與加熱爐滿負荷工況距離較大，運行負荷率低，導致熱效率低[2-3]。

1.1 加熱爐應用存在的問題

通過對氣田379臺加熱爐進行節(jié)能監(jiān)測評價，綜合不合格64臺，占監(jiān)測總數(shù)量的17.15%。

其中：排煙溫度不合格33臺，占總數(shù)量的8.71%；空氣系數(shù)不合格28臺，占總數(shù)量的7.39%；熱效率不合格28臺，占總數(shù)量的7.39%。

不合格加熱爐原因：有10臺加熱爐排煙溫度和熱效率不合格，加熱爐熱效率不合格主要原因是排煙溫度過高，導致排煙熱損失過大；有13臺加熱爐空氣系數(shù)和熱效率不合格，影響這些加熱爐熱效率的主要原因是空氣系數(shù)過大，導致氣體不完全燃燒損失和排煙熱損失過大；有9臺加熱爐排煙溫度和空氣系數(shù)不合格，影響這些加熱爐排煙溫度過高是配風量過大導致。其中有12臺加熱爐單項熱效率指標不合格，經(jīng)分析這些加熱爐的運行熱負荷率平均為29.26%，遠低于額定熱負荷，這些加熱爐熱效率過低是由于熱負荷率較低導致。

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)氣田加熱爐運行過程中存在以下問題：被加熱天然氣成分復雜、潔凈度差。在氣田生產(chǎn)過程中，加熱爐存在內(nèi)部換熱面淤積、結(jié)垢問題，換熱量大幅降低，運行指標差；燃燒器簡易，從技術(shù)上無法精細調(diào)節(jié)配風；產(chǎn)量遞減、參數(shù)調(diào)整等工況變化或季節(jié)更替，造成負荷率較低；加熱爐都是安裝在露天環(huán)境，生產(chǎn)負荷狀況隨時變化，很難做到現(xiàn)場參數(shù)時時調(diào)整。

1.2 存在問題分析及建議

排煙溫度不合格分析及建議。排煙熱損失主要受排煙溫度和空氣系數(shù)的影響，是空氣系數(shù)和排煙溫度的函數(shù)。在空氣系數(shù)一定的情況下，排煙熱損失與排煙溫度呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，排煙溫度越高，排煙熱損失越大；在排煙溫度一定的條件下，排煙熱損失與空氣系數(shù)是一次函數(shù)關(guān)系，空氣系數(shù)越大，排煙熱損失越大[4]?？諝庀禂?shù)與排煙熱損失關(guān)系見圖1。

隨著空氣系數(shù)的增加，排煙熱損失增加的速率大于空氣系數(shù)增加的速率，排煙溫度越高越明顯。當排煙溫度一定時，排煙熱損失與空氣系數(shù)大致呈線性關(guān)系。排煙溫度降低20～30℃，熱效率提高1%。合理的排煙溫度為：高出露點溫度20～30℃。

圖1 空氣系數(shù)與排煙熱損失關(guān)系Fig.1 Relationship between air coefficient and heat loss of exhaust smoke

監(jiān)測的加熱爐中，共有33臺加熱爐排煙溫度不合格，占總測試數(shù)量的9.5%。其中排煙溫度值與指標值（限定值）差10℃以內(nèi)的13臺，該部分加熱爐調(diào)整運行參數(shù)，排煙溫度就達到合格；其中排煙溫度值與指標值（限定值）差大于50℃以內(nèi)的6臺，該部分加熱爐是節(jié)能分析的重點對象。

因此該部分加熱爐需要注意排煙溫度的控制，從以下方面分析：

1）加熱爐運行時間過長，爐內(nèi)有結(jié)垢現(xiàn)象，導致傳熱系數(shù)下降，熱量不能有效被加熱介質(zhì)吸收。需定期對加熱爐對流段進行清灰、清垢等管理工作。對于結(jié)垢比較嚴重的加熱爐，可安裝刮板機械式自動除防垢加熱裝置、電磁除垢裝置、電脈沖除垢裝置等。

2）對于排煙溫度過高的加熱爐可以采用煙氣余熱回收技術(shù)，如板式空氣預熱器等。通過對煙氣余熱進行回收用于預熱進爐空氣，空氣溫度每提高15～20℃，加熱爐熱效率提高約一個百分點。但排煙溫度也不宜過低（不低于露點），否則易在加熱爐尾部產(chǎn)生滴水現(xiàn)象，產(chǎn)生受熱面腐蝕問題[5-6]。

3）采用遠紅外耐高溫輻射涂料。將涂料涂刷在加熱爐火管內(nèi)壁，受熱可發(fā)射遠紅外線，將熱能轉(zhuǎn)換成遠紅外輻射能，穿透管壁直接作用于被加熱介質(zhì)，使其迅速升溫，從而提高傳熱效果，降低排煙溫度；還可將涂料涂刷在管式加熱爐內(nèi)壁上，通過涂料涂層改善爐內(nèi)熱交換、提高爐膛內(nèi)溫度場強及均勻性、使燃料燃燒更充分，提高加熱爐熱效率，削弱爐墻表面?zhèn)鳠?，提高耐火材料性能，延長爐體內(nèi)襯使用年限[7]。

2 空氣系數(shù)不合格分析及建議

監(jiān)測的加熱爐中，空氣系數(shù)不合格28臺，占總監(jiān)測數(shù)量的7.39%。針對空氣系數(shù)不合格問題，從以下方面分析：

1）檢查現(xiàn)用配風裝置，檢驗配風效果，針對加熱爐的類型和參數(shù)，合理選擇配風比，也可以采用調(diào)節(jié)靈活、配風精確合理、抗干擾性能好的產(chǎn)品。如采用全自動高效燃燒器，可減少運行時出現(xiàn)燃燒空氣不足或過?，F(xiàn)象，提高燃燒效率[8]。還可以采用膜法富氧燃燒裝置，利用空氣中氧氣和氮氣通過富氧膜時滲透率不同，在壓差驅(qū)動下得到富氧空氣。該裝置把膜法富氧發(fā)生器與加熱爐燃燒器結(jié)合在一起，提高了火焰溫度和熱量利用率，降低了空氣過量系數(shù)，減少了排煙損失[9]。

2）定期清理火嘴，加熱爐燃燒器火嘴的工作條件比較惡劣，長期受爐膛高溫輻射和火焰沖刷，容易造成變形和損壞?；鹱扉L時間使用會結(jié)垢、結(jié)焦，從而引起燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象，燃燒效率降低。

3 加熱爐節(jié)能技改措施

加熱爐運行效率的高低直接影響氣田總的能耗水平及節(jié)能減排目標的實現(xiàn)。采取一定的節(jié)能技改措施使加熱爐各項指標達到合格時，可實現(xiàn)的節(jié)能目的。主要是從降低排煙溫度及空氣系數(shù)方面進行加熱爐節(jié)能改造，針對加熱爐運行過程中存在的問題，主要采取以下措施：

1）智能燃燒控制技術(shù)。氣田井口及計量站加熱爐大量采用自然引風（大氣）式燃燒器，結(jié)構(gòu)簡單，燃氣控制及調(diào)風控制采用人工手動調(diào)節(jié)閥門控制；此工藝不能準確調(diào)節(jié)空燃比，在點火過程中，燃氣空氣配比不當，存在閃爆風險。配風的過量空氣系數(shù)直接影響排煙熱損失和熱效率：過量空氣系數(shù)過大，爐膛溫度下降，鼓風機電耗增加、排煙體積和排煙熱損失增加，鍋爐效率下降；過量空氣系數(shù)過小，燃料不能完全燃燒。統(tǒng)計表明，過量空氣系數(shù)每增加0.1～0.2，鍋爐效率降低0.2%～0.5%。

采用智能燃燒控制技術(shù)可實現(xiàn)燃料與配風分別獨立控制，通過變頻控制風機運行，控制部分均采用數(shù)字化控制，精度高。同時對燃燒尾氣氧含量進行監(jiān)測，并實時把測量值反饋給控制器，控制器實時根據(jù)測量結(jié)果與理想燃燒曲線進行對比，根據(jù)對比的結(jié)果進行實時優(yōu)化空氣/燃料的輸出配比，對影響燃燒的各種因素進行有效補償，實現(xiàn)對空氣系數(shù)的精確控制和動態(tài)調(diào)整，避免燃料氣壓力波動而影響配比控制。應用該技術(shù)后熱效率約提升4.4%，靜態(tài)投資回收期1.6 a左右，萬元投資節(jié)能量約6.7 tce/萬元（包括燃燒器）。

2）板式空氣預熱器。其原理是利用板式空氣預熱器回收煙氣余熱，提高助燃空氣的溫度。板式空氣預熱器由許多相互平行的板單元組成，煙氣與空氣在板間交錯流動換熱[10]。板單元可以是平板，也可以是沖壓成各種形狀的波紋板，板材質(zhì)可根據(jù)煙氣溫度及煙氣腐蝕情況進行選擇。實施該技術(shù)后熱效率大約提升4%，萬元投資節(jié)能量約6.6 tce/萬元，投資回收期1 a左右，有效使用年限8 a左右。

3）冷凝式煙氣余熱回收技術(shù)。冷凝式煙氣余熱回收器是引進國外先進的煙氣余熱回收技術(shù)，該產(chǎn)品安裝在加熱爐尾部煙道上，回收煙氣顯熱及部分潛熱，加熱原油、天然氣、水等工質(zhì)，將排煙溫度降至90℃以下，提高加熱爐效率。冷凝煙氣余熱回收器被國家質(zhì)監(jiān)總局列為首批重點推薦的節(jié)能產(chǎn)品。關(guān)鍵技術(shù)：采用特殊的流場設計，低阻力結(jié)構(gòu)，不需要另外增加引風機等輔機，不需要增加額外的能耗。應用此技術(shù)后，熱效率約提升9%，靜態(tài)投資回收期2.4 a左右，萬元投資節(jié)能量約2.8 tce/萬元，有效使用年限10 a左右。

4）無機傳熱技術(shù)。無機傳熱技術(shù)是由放在密封的真空容器中的若干種無機鹽配制成無機材料，無機鹽接觸到熱量激發(fā)出的微粒進行高速運動并相互碰撞，實現(xiàn)快速、高效傳熱，實現(xiàn)極低熱量損耗及傳遞溫度損失低。無機傳熱技術(shù)是傳統(tǒng)熱管技術(shù)升級，制成的高效熱管可有效提高加熱爐換熱效率。應用該技術(shù)后，熱效率平均提升約5%，靜態(tài)投資回收期5.2 a左右，萬元投資節(jié)能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限6 a左右。

截止到2020年，通過對加熱爐進行節(jié)能技術(shù)改造及采用措施，共減少天然氣消耗1 590.3×104m2，實現(xiàn)節(jié)能21 150.99 t標煤，減少二氧化碳排放34 385.31 t，加熱爐節(jié)能技術(shù)改造及應用效果情況見表1。

4 結(jié)論

通過對加熱爐進行現(xiàn)場監(jiān)測及試驗研究，對加熱爐排煙溫度和空氣系數(shù)不合格的原因進行了分析，針對主要影響因素采用有效節(jié)能技術(shù)手段可有效提升加熱爐熱效率，解決設備低效問題，實現(xiàn)節(jié)能減排；采用智能燃燒控制技術(shù)可實現(xiàn)燃料與配風分別獨立控制，通過變頻控制風機運行，控制部分均采用數(shù)字化控制，精度高，應用該技術(shù)后熱效率約提升4.4%，靜態(tài)投資回收期1.6 a左右，萬元投資節(jié)能量約6.7 tce/萬元（包括燃燒器）；利用板式空氣預熱器回收煙氣余熱，提高助燃空氣的溫度。實施該技術(shù)后熱效率大約提升4%，萬元投資節(jié)能量約6.6 tce/萬元，投資回收期1 a左右，有效使用年限8 a左右；利用冷凝式煙氣余熱回收技術(shù)熱效率約提升9%，靜態(tài)投資回收期2.4 a左右，萬元投資節(jié)能量約2.8 tce/萬元，有效使用年限10 a左右；通過無機傳熱技術(shù)熱效率平均提升約5%，靜態(tài)投資回收期5.2 a左右，萬元投資節(jié)能量約1.28 tce/萬元，有效使用年限6 a左右。

表1 加熱爐節(jié)能技術(shù)改造及應用效果情況
Tab.1 Energy-saving technical transformation of heating furnace and its application results

項目名稱智能燃燒控制技術(shù)板式空氣預熱器冷凝式煙氣余熱回收技術(shù)無機傳熱技術(shù)合計改造數(shù)量/套40 35 45 30 150效率提高/%4.4 495—年實施后節(jié)能量104 m3 395.17 359.28 541.23 294.62 1 590.30折標煤/t 5 255.76 4 778.42 7 198.36 3 918.45 21 150.99二氧化碳減排量/t 8 544.33 7 768.32 11 702.42 6 370.24 34 385.31

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