李云 李萍 （中國石油西南油氣田公司川中油氣礦）

1 加熱爐概況及作用

1.1 加熱爐概況

川內某輕烴裝置加熱爐由美國GTS 能源公司設計、生產(chǎn)，是一種全自動、純對流管式加熱爐，設計加熱天然氣流量14×104m3/d，入口溫度30 ℃，出口溫度287 ℃，入口壓力7.6 MPa，出口壓力6.89 MPa，額定負荷652 669 kcal/h，熱效率88%。煙氣出口溫度255 ℃，燃燒室溫度760 ℃，總換熱表面積231 m2。

1.2 加熱爐的作用

加熱爐是輕烴預分餾裝置使用過程中非常重要的設備之一，加熱爐轉化效率的高低直接關系設備的熱效率[1]。主要功能是對再生氣進行加熱，被加熱后的再生氣對分子篩吸附塔進行逆流熱吹再生，帶出分子篩中所吸收的水分，從而達到對分子篩再生的目的。加熱爐工藝流程圖見圖1。

圖1 加熱爐工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of heating furnace

2 工作原理及優(yōu)缺點

2.1 工作原理

所謂對流是指由于流體的宏觀運動，從而使流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。而流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，稱之為對流換熱。如果流體的流動是由于水泵、風機或其他壓差作用所造成的，稱為強制對流[2]。文中加熱爐采用的就是強制對流。加熱爐為臥式結構，爐體主要由三部分組成：燃燒段、對流傳熱段以及循環(huán)管段。加熱爐爐體結構見圖2。

圖2 加熱爐爐體結構Fig.2 Heating furnace structure

在燃燒段及對流傳熱段，利用美國麥克森公司生產(chǎn)的OVENPAK EB5 燃燒器產(chǎn)生短火焰，防止火焰直接與翅狀盤管接觸。燃料氣和空氣混合燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣與循環(huán)氣混合后流向對流段的翅管，使工藝流體均勻的被加熱，同時使煙囪的煙道氣溫度低于315 ℃（315 ℃為煙道溫度聯(lián)鎖值），天然氣的燃點較高，約為650 ℃[3]，煙氣溫度遠遠低于自燃溫度；在循環(huán)管段，利用再循環(huán)風機將煙氣從煙道循環(huán)至燃燒段，對煙氣進行了二次利用。

2.2 優(yōu)點

首先是取消了輻射管部分，因為沒有輻射管，從爐體尾部觀火孔無法觀察到爐管，但可以通過觀火孔上部的一個斜插式觀察孔觀察爐管情況。

帶翅片的爐管呈水平排列方式，一共6 行，每行6 根爐管，一共使用了36 根爐管，爐管外徑均為88.9 mm，壁厚均為7.62 mm，每根爐管長度為1.94 m，爐管材質采用了符合美國ASME SA-312（冷加工奧氏體不銹鋼焊接管和無縫管） 標準的TP316L。TP316L 是繼TP304L 之后，第二個得到廣泛應用的奧氏體不銹鋼。該材料比TP304L 具有更好的抗氯化物腐蝕能力，同時也具有良好的耐還原性介質和耐點蝕能力，該材料已經(jīng)廣泛應用于化工換熱器管、電站鍋爐用管[4]。因為不使用輻射方式加熱，而只使用純對流方式對爐管內的天然氣進行加熱，所以火焰不直接接觸爐管，對流傳熱均勻地分布在爐管表面，從而最大限度地減少輻射傳熱對爐管的影響，避免了爐管因受熱不均產(chǎn)生較大應力而導致裂紋或破裂。

其次是采用了美國NYB 風機公司生產(chǎn)的再循環(huán)風機將煙氣體積總量的2/3 強制流回燃燒室，對煙氣余熱進行二次利用，彌補了傳統(tǒng)加熱爐將煙氣全部流出造成熱量損失的缺點。與自然通風式加熱爐相比，這一特點使煙道溫度降低到230～314 ℃（自然通風式加熱爐煙道溫度為500～556 ℃），同時將燃燒室溫度增加到760 ℃[5]（自然通風式加熱爐燃燒室溫度為360～420 ℃）。這一優(yōu)點也是加熱爐提高自身熱效率最有效的方式。

最后是給爐管加上翅片，翅片結構示意圖見圖3，翅片參數(shù)見表1。

表1 翅片參數(shù)Tab.1 Fin parameter

圖3 翅片結構示意圖（側視）Fig.3 The structure of fin（side view）

由圖3 及表1 可知，爐管采用了整體型螺旋翅片，第一、二行翅片安裝位置最靠近燃燒室，溫度較高，因此采用了牌號為409 的鐵素體不銹鋼和較短的高度，以便提高翅片的耐熱沖擊強度并降低與后面幾排爐管的溫差；第四、五、六行翅片相對離燃燒室較遠，溫度較低，因此采用了碳鋼和較高的高度，以便降低整體構造費用并降低與前面幾排爐管的溫差。使用這種翅片具有如下優(yōu)勢：

1） 傳熱效率高。翅片與基管連為一個整體，無接觸熱阻；翅片截面為梯形，與基管接觸面積大。

2）不易積灰。整體型螺旋翅片管翅片表面光滑，翅根光滑圓角過渡。

3）使用壽命長。軋制過程使金屬機械強度和表面硬度大幅提高，承壓能力和耐磨性能提升[6]。

2.3 缺點

由于系統(tǒng)需要再循環(huán)風機，因此結構上比其他直接將煙氣放空的輻射式加熱爐更加復雜，造價上也明顯高于單純的輻射式加熱爐。同時循環(huán)風機的穩(wěn)定運行至關重要，一旦循環(huán)風機發(fā)生動平衡失效而導致震動加劇，必須停機檢修。

3 運行參數(shù)分析

加熱爐設計熱效率為88%，在實際使用過程中，計算熱效率為73.2%，未達到設計要求，造成了能源的浪費。

3.1 燃料氣量及負荷

燃料氣及負荷設計參數(shù)流程見圖4。設計入口燃料氣量為125.3 m3/h。而實際使用最大瞬時燃料氣量為100 m3/h，低于設計燃料氣量，燃料氣量的大小還與加熱爐負荷有關，當燃氣量增加時，介質吸收的熱量多，出口溫度上升，負荷率提高；當燃氣量減少時，介質吸收的熱量減少，出口溫度下降，負荷率降低。加熱爐運行負荷75%～100%效率比較高[7]。加熱爐的燃燒由燃燒器提供，通過連桿機構控制兩個自動閥門的開度來調節(jié)進爐的燃料氣和空氣的混合氣，當再生氣出口溫度高于設定值時，兩個閥門同步關小，反之則同步開大，當再生氣出口溫度約等于設定值時，燃氣閥門開度約保持在50%。設計天然氣加熱再生氣量為14×104m3/d，實際天然氣加熱再生氣量為10×104m3/d，負荷率為71.4%，表明運行負荷偏低。因為目前的再生氣量適合工藝要求，不需要調整，因此通過增加負荷來提高加熱爐效率的方法不可行。

圖4 燃料氣及負荷設計參數(shù)流程圖Fig.4 Design parameters of fuel gas volume and load

3.2 送風量

送風量是由送風風機功率、風機葉輪直徑及風機出口擋板開度決定，風機功率為4 kW，驅動電動機為非變頻電動機，且未配置變頻器，因此功率無法進行主動改變；風機葉輪直徑也是一個固定值；唯一可變的是擋板開度，手動擋板開度出廠默認值是100%，在實際使用過程中一直保持默認開度。送風機性能曲線圖見圖5，紅色圓圈處為最佳工作點，此點對應的風量為2 725 m3/h，風壓為2.48 kPa，這兩個參數(shù)完全對應圖4 中關于送風機的設計參數(shù)，因此送風機只要按照風機性能曲線參數(shù)運行，便會提高熱效率。

圖5 送風機性能曲線圖Fig.5 Blower performance curve

最佳工作點對應的燃料氣量為125.3 m3/h，配風量為2 726 m3/h，因此實際空燃比為2 726∶125.3。

熱量的產(chǎn)生都是通過燃料燃燒為系統(tǒng)提供。在實際燃燒的過程中不可能準確提供燃料燃燒所需的精確空氣量，通常通入超過需求的空氣（理論空氣）來保證為燃料燃燒提供足量的空氣，而過量的空氣和理論空氣的比值就是過?？諝庀禂?shù)α[8]。依據(jù)SHJ36—1991《石油化工管式爐設計規(guī)范》，當燃燒器類型為燃氣，且采用強制通風時，過剩空氣系數(shù)為1.15。因此將1.15 作為加熱爐的過?？諝庀禂?shù)，計算最佳工作點的理論配風量及理論空燃比為：2 726∶1.15 和2 370∶125.3。

當前工況下，當被加熱的再生氣達到設定溫度值并穩(wěn)定時，對應燃料氣量為80 m3/h，依據(jù)實際空燃比及理論空燃比，計算當前工況的實際配風量為1 740 m3/h，理論配風量為1 512.8 m3/h；

運行時測出送風機風壓為2.70 kPa，對照圖5，查出對應的風量約為1 996 m3/h。計算過?？諝庀禂?shù)約為1.32，大于標準值（1.15），因此過?？諝庀禂?shù)偏大。過剩空氣系數(shù)太大，冷空氣會降低爐膛溫度，使燃燒效果變差。過?？諝庀禂?shù)每增加0.1，排煙損失就要增加0.5%左右，熱效率將減少0.5%左右。過?？諝庀禂?shù)過高，排煙損失增加，熱效率降低[9]。因此減少送風量有助于降低過剩空氣系數(shù)α，從而提高熱效率，同時延長爐管壽命。對照圖5，查出所需實際配風量1 740 m3/h 對應的送風機風壓為3.08 kPa，這為下一步根據(jù)風壓來調整送風量提供了依據(jù)。

3.3 循環(huán)風量及煙道溫度

循環(huán)風量是由再循環(huán)風機功率、再循環(huán)風機葉輪直徑及再循環(huán)風機出口擋板開度決定，再循環(huán)風機功率為11 kW，驅動電動機為非變頻電動機，且未配置變頻器，因此功率無法進行主動改變；再循環(huán)風機葉輪直徑也是一個固定值；唯一可變的是再循環(huán)風機出口擋板開度。這個開度由燃燒控制系統(tǒng)自動控制，當加熱爐點火成功時，擋板開度由0%變?yōu)?00%，此時再循環(huán)風管道阻力幾乎為0，產(chǎn)生的煙氣量約70%全部返回至燃燒室；當停爐時，擋板開度由100%變?yōu)?%。

如果再循環(huán)風機出口擋板開度未全開，此時煙氣循環(huán)到燃燒室的氣量減少，多余的煙氣在煙道聚集，導致煙道溫度增高；根據(jù)加熱爐出口溫度，在中控室查看運行時煙道溫度歷史趨勢，為310 ℃，而設計煙氣出口溫度為251 ℃，因此煙氣溫度超高，推斷出再循環(huán)風機出口擋板開度未全開，導致進入燃燒室的二次利用煙氣減少，此時燃燒室溫度也對應減少，燃燒室溫度降低將導致被加熱的天然氣溫度降低。因此減少煙氣排放量，增大循環(huán)風量有助于提高熱效率。

3.4 爐體表面溫度

如果爐體密封不嚴，會導致高溫氣體帶走熱量，從而導致熱效率下降，依據(jù)SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》，燃氣加熱爐爐體外表面溫度應不高于50 ℃，對爐體表面溫度進行檢查，對高于50 ℃的部位，應進行堵漏[10]。

4 優(yōu)化措施及效果檢查

4.1 優(yōu)化措施

1）通過減少送風量來降低過剩空氣系數(shù)。手動關小風門擋板，同時觀察外置壓力計讀數(shù)，當壓力變化至約3.08 kPa 時，將風門固定。

2）通過增加循環(huán)風量來降低煙道溫度。循環(huán)風門的開度是由美國Rotork 電動執(zhí)行機構來控制的，電動執(zhí)行機構的動作由燃燒安全控制器控制。檢查Rotork 電動執(zhí)行機構，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了零位漂移，原100%的開度實際只有88%，對電動執(zhí)行機構零點及量程重新調校，確保100%的開度真實有效。

3）通過堵漏來降低爐體表面溫度。對加熱爐所有法蘭連接處及焊縫處進行溫度檢測，一共發(fā)現(xiàn)三處溫度高于50 ℃，分別是下部人孔處、循環(huán)風機入口法蘭連接處、循環(huán)風機出口法蘭連接處，對這三個漏點重新更換高溫石棉墊，并對縫隙處采用石棉繩堵漏。

4.2 效果檢查

在分子篩塔進行熱吹再生時，工藝條件不改變，即再生氣量保持10×104m3/d，加熱爐出口溫度設置值保持255 ℃不變，對加熱爐再次進行熱效率檢測，計算熱效率為86.1%，熱效率提高了12.9%。加熱爐優(yōu)化后參數(shù)對比見表2。由表2 可知，完成一個熱吹循環(huán)，燃料氣用量減少了83 m3，加熱爐燃燒室溫度增高了240 ℃，煙道溫度下降了57 ℃，等效于單位時間內同等流量再生氣吸收的熱量增加，煙氣的二次利用率增加。

表2 加熱爐優(yōu)化后參數(shù)對比Tab.2 Parameters comparison after the optimization of heating furnace

根據(jù)SY/T 6381—2016《石油工業(yè)用加熱爐熱工測定》[11-12]，加熱爐熱效率的計算方法為：

式中：η為熱效率，%；Q為有效輸出熱量，kJ/h；Qr為供給熱量，kJ/h。

因為工藝狀況未調整，被加熱介質容量及時間不變化，因此改造前后有效輸出熱量相同，即：

優(yōu)化前供給熱量由公式（1）得出：

優(yōu)化后供給熱量由公式（1）得出：

根據(jù)SY/T 6422—2016《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》，計算節(jié)能率。有效輸出熱量單耗：

式中：B為有效輸出熱量消耗，kgce/MJ；By為單位時間內耗能量，kgce/h；Qy為單位時間內有效輸出熱量，MJ/h。

因為工藝狀況未調整，被加熱介質容量及時間不變化，因此單位時間內耗能量相同，即

單位時間內有效輸出熱量等于供給熱量

式中：εL為節(jié)能率，%；B1為節(jié)能前有效輸出熱量單耗，kgce/MJ；B2為節(jié)能后有效輸出熱量單耗，kgce/MJ。

將公式（2） ～公式（7） 代入公式（8） 并化簡，計算節(jié)能率：

5 結論

1）相對于輻射式加熱爐，純對流式加熱爐的主要優(yōu)點是爐管受熱均勻，不易產(chǎn)生較大的熱應力而導致爐管破裂，缺點是需要配置再循環(huán)風機，構造復雜，造價較高。

2） 在實際工況未達到送風機最佳工作點時（加熱爐熱負荷為71.4%），此時燃料氣量為80 m3/h，調節(jié)進風擋板，將風壓保持在約3.08 kPa，可以保持過?？諝庀禂?shù)為1.15，能提高熱效率。

3） 確保循環(huán)風門全開， 煙道溫度降為253 ℃，可提高熱效率。

4）對爐體表面溫度大于50 ℃的部位進行堵漏處理，可提高熱效率。