李軍 耿景明 樊鵬

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；2.大慶油田天宇工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司；3.深圳市佳運(yùn)通電子有限公司）

油田加熱爐作為一種以天然氣為燃料的加熱裝置，在各大油田采油場站均有廣泛應(yīng)用，天然氣燃燒生成的高溫?zé)煔?，與低溫液態(tài)介質(zhì)完成熱交換后，煙氣由尾部煙道經(jīng)煙囪排空。通常加熱爐設(shè)計(jì)的排煙溫度在120 ℃左右，但受各種因素影響，實(shí)際運(yùn)行排煙溫度通常在150～400 ℃。由于這部分煙氣溫度較高，其中蘊(yùn)含了數(shù)量可觀的煙氣顯熱，且天然氣燃燒生成的煙氣含水率較高，汽化潛熱量也很大，由此導(dǎo)致加熱爐的實(shí)際運(yùn)行效率較低，運(yùn)行能耗很高[1-3]。這不但造成了能源的浪費(fèi)，增加了企業(yè)的運(yùn)營成本，而且天然氣燃燒過程中產(chǎn)生了大量的氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等氣體，也給自然環(huán)境帶來較大污染。

由于大慶地區(qū)冬季環(huán)境氣溫特別低，加熱爐正常運(yùn)行條件下，煙氣經(jīng)煙囪排放過程中會產(chǎn)生大量煙氣冷凝水，這部分冷凝水順著煙囪內(nèi)壁向下流匯集于煙箱內(nèi)，并經(jīng)煙箱排水管排至燒火間周邊，造成燒火間周邊的地面上全是冰面，一方面影響廠區(qū)環(huán)境，另一方面不利于運(yùn)行人員的操作安全。為了解決煙氣冷凝水問題，加熱爐冬季通常采用高過量空氣系數(shù)運(yùn)行，消耗的燃料量和排煙溫度都顯著提升，顯然有悖于當(dāng)前“雙碳”政策的相關(guān)要求[4-5]。

結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)的“雙碳”政策要求，即2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和，結(jié)合油田加熱爐的數(shù)量多、單體容量較小、布置分散、生產(chǎn)負(fù)荷波動頻繁等特點(diǎn)，介紹了一種專門用于油田加熱爐排煙余熱回收的智控型煙氣余熱深度回收裝置，并通過在1.0 MW 加熱爐上進(jìn)行實(shí)踐研究，取得了該裝置的具體節(jié)能量數(shù)據(jù)，明確了其良好的節(jié)能效果；此外，該裝置還解決了油田加熱爐運(yùn)行中普遍存在的其他若干問題，為油田加熱爐生產(chǎn)過程的節(jié)能降碳、降本增效提供了一種新的解決方案[6-8]。

1 概述

1.1 本體結(jié)構(gòu)

智控型煙氣余熱深度回收裝置主要由高效換熱單元、驅(qū)動系統(tǒng)、在線監(jiān)控系統(tǒng)和煙氣冷凝水回收系統(tǒng)組成。其中，高效換熱單元以圓形翅片管為換熱元件，高溫?zé)煔庠趽Q熱管外流動，低溫水在換熱管內(nèi)流動，兩者通過翅片和管壁完成熱交換過程。驅(qū)動系統(tǒng)主要包括增壓泵和引風(fēng)機(jī)，增壓泵主要用于克服新增水路系統(tǒng)帶來的阻力，引風(fēng)機(jī)主要用于給煙風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行提供動力。在線監(jiān)控系統(tǒng)主要包括帶遠(yuǎn)傳功能的在線測量儀表、智能管控系統(tǒng)和電動閥門，在線測量儀表用于實(shí)時顯示系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，并為智能管控系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；智能管控系統(tǒng)接收在線儀表的實(shí)時數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行綜合分析和統(tǒng)計(jì)，以顯示實(shí)時的性能指標(biāo)并做出正確的調(diào)控策略反饋；電動閥門根據(jù)智能管控系統(tǒng)發(fā)出的指令，進(jìn)行打開、關(guān)閉或開度大小的調(diào)節(jié)等操作，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能模式、非節(jié)能模式以及優(yōu)化匹配加熱爐系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)。煙氣冷凝水回收系統(tǒng)主要由冷凝水箱、冷凝水泵及配套管閥組成，冷凝水箱用于收集煙氣降溫過程中產(chǎn)生的冷凝水，水箱側(cè)壁上設(shè)有在線液位計(jì)，通過液位控制冷凝水泵的啟停，從而實(shí)現(xiàn)煙氣冷凝水的自動外排[9]。本體結(jié)構(gòu)除上面所述四大主要結(jié)構(gòu)外，還包括支撐整體的鋼結(jié)構(gòu)、管路的保溫外護(hù)板以及外殼三部分，裝置外形結(jié)構(gòu)見圖1，裝置工藝流程見圖2。

圖1 裝置外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Shape structure of device

圖2 裝置工藝流程Fig.2 Process flow of device

1.2 工作原理

為了實(shí)現(xiàn)利用加熱爐排煙余熱來預(yù)熱加熱爐進(jìn)水的目的，需分別對水系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)進(jìn)行部分改造。在水系統(tǒng)改造方面，主要是在加熱爐進(jìn)水母管上設(shè)置一個隔斷閥，在隔斷閥前后分別開設(shè)取水口和回水口。取水口通過取水管與煙氣余熱深度回收裝置的進(jìn)水管連通，回水口通過回水管與煙氣余熱回收裝置的出水管連通，由此完成水系統(tǒng)的改造。在煙氣系統(tǒng)改造方面，主要是在加熱爐的尾部煙箱上部煙道上開設(shè)取風(fēng)口，并用引風(fēng)管將取風(fēng)口與引風(fēng)機(jī)入口連通，關(guān)閉煙囪上的煙氣擋板門后，可將加熱爐排煙引入煙氣余熱回收裝置[10]。

來自三合一的低溫水通過取水管進(jìn)入煙氣余熱回收裝置上層的換熱管內(nèi)，并依次向下流經(jīng)沿途的換熱管，最后由最底層換熱管排出；來自加熱爐的高溫?zé)煔鈴膿Q熱單元的底部進(jìn)入換熱管的外部空間，并向上流經(jīng)所有的換熱管排后，經(jīng)頂部的煙囪排空。由此實(shí)現(xiàn)低溫水和高溫?zé)煔獾哪媪鲹Q熱效果，增強(qiáng)了換熱過程的強(qiáng)度。低溫水吸熱升溫后經(jīng)回水管進(jìn)入加熱爐內(nèi)進(jìn)一步升溫，高溫?zé)煔夥艧峤禍睾蠼?jīng)煙氣余熱回收裝置頂部的煙囪排空，從而實(shí)現(xiàn)加熱爐排煙余熱的回收利用，提升燃?xì)獾睦眯?，降低加熱爐生產(chǎn)的耗氣量。與此同時，由于加熱爐排煙在換熱單元內(nèi)放熱降溫至水露點(diǎn)以下，會產(chǎn)生一定量的煙氣冷凝水，這部分冷凝水在重力的作用下匯集于換熱單元正下方的冷凝水箱內(nèi)。當(dāng)冷凝水箱液位達(dá)到設(shè)定高值后，聯(lián)鎖啟動冷凝水泵，將煙氣冷凝水排至煙氣余熱回收裝置的進(jìn)水管內(nèi)，作為爐水的阻垢劑進(jìn)行利用；當(dāng)冷凝水箱液位降低至設(shè)定低值后，聯(lián)鎖關(guān)停冷凝水泵，保證水箱內(nèi)液位對煙氣系統(tǒng)形成足夠的氣封作用，由此防止煙氣通過水箱外泄。具體現(xiàn)場布置工藝流程見圖3。

圖3 現(xiàn)場布置工藝流程Fig.3 Process flow of on-site layout

1.3 功能特點(diǎn)

智控型煙氣余熱深度回收裝置通過本體結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，并集成了多種智能化控制設(shè)備，智能化和數(shù)字化方面均達(dá)到較高的水平，實(shí)現(xiàn)了自動控制、故障預(yù)警和聯(lián)鎖保護(hù)等多項(xiàng)功能，無需人員值守，在充分保障加熱爐安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了能源利用效率的顯著提升。其主要功能特點(diǎn)如下所述：

1）煙氣余熱深度回收。天然氣燃燒生成的煙氣中，水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)在16%左右，對應(yīng)的煙氣飽和點(diǎn)在57 ℃左右，裝置以加熱爐35～40 ℃的進(jìn)水為冷源，將煙氣由150～250 ℃以上冷卻降溫至50 ℃以下，有效回收了50～57 ℃水蒸氣相變?yōu)橐簯B(tài)水釋放的汽化潛熱，從而達(dá)到深度回收煙氣余熱的效果。

2）燃燒器配風(fēng)優(yōu)化。燃燒器的配風(fēng)量對燃燒效率和排煙損失有較大影響，合適的空燃比對于提升爐效和燃料利用率至關(guān)重要?，F(xiàn)有燃燒器的配風(fēng)是通過煙囪的抽力提供驅(qū)動力，風(fēng)量調(diào)節(jié)是通過燃燒器的風(fēng)門開度變化來實(shí)現(xiàn)的。節(jié)能改造后，煙氣側(cè)配套增設(shè)了引風(fēng)機(jī)和調(diào)節(jié)閥，引風(fēng)機(jī)主要提供配風(fēng)的動力，燃燒器的風(fēng)門開度作為一次調(diào)節(jié)風(fēng)量措施，調(diào)節(jié)閥用來二次精確調(diào)控配風(fēng)量。在節(jié)能系統(tǒng)調(diào)試階段，確定不同燃?xì)饬繉?yīng)的最優(yōu)調(diào)節(jié)閥開度，將其閥位作為設(shè)定值錄入控制系統(tǒng)；實(shí)際運(yùn)行過程中，調(diào)節(jié)閥的開度自動跟隨燃?xì)饬窟M(jìn)行聯(lián)動，從而達(dá)到保證燃燒器安全、高效運(yùn)行的目的。

3）煙氣冷凝水回用。煙氣冷凝水是煙氣在排放過程中溫度降至飽和點(diǎn)以下時產(chǎn)生的，在加熱爐正常生產(chǎn)工況，沒有配套煙氣余熱回收裝置條件下，受冬、夏季環(huán)境溫度變化影響，冬季排煙溫度會比夏季更低，產(chǎn)生的煙氣冷凝水更多。在增設(shè)煙氣余熱回收裝置后，排煙溫度全天保持在飽和點(diǎn)以下，所以全年都會有煙氣冷凝水產(chǎn)生。該裝置通過設(shè)置冷凝水箱和冷凝水泵等，可以實(shí)時收集煙氣冷凝水，當(dāng)水箱液位到達(dá)設(shè)定高位時，聯(lián)鎖開啟冷凝水泵，將酸性冷凝水泵入煙氣余熱回收裝置的進(jìn)水管，作為爐水系統(tǒng)的阻垢劑進(jìn)行回用，從而實(shí)現(xiàn)整個煙氣余熱回收過程零排放目標(biāo)。

4）在線防垢防堵。煙氣余熱回收裝置的換熱單元采用?25 mm×2 mm 翅片管為換熱元件，由于來自加熱爐的爐水組分較為復(fù)雜，長時間運(yùn)行可能有雜質(zhì)在管內(nèi)結(jié)垢或油漬黏附管壁帶來的堵塞問題。為此，在運(yùn)行中采取了兩種針對性措施：一是將煙氣冷凝水定期注入換熱單元的進(jìn)口，利用煙氣冷凝水的酸性對換熱管進(jìn)行防垢；二是通過定期關(guān)閉換熱單元的水系統(tǒng)，利用高溫?zé)煔鈱Q熱管內(nèi)的閉式水進(jìn)行悶燒，當(dāng)水溫上升到一定值后油漬的黏性下降，再開通換熱單元的水系統(tǒng)，利用水流的沖刷作用，將高溫黏附性較差的油漬帶走，從而解決油漬黏附在管內(nèi)壁上造成的堵塞問題。

5）提升加熱爐運(yùn)行安全。在加熱爐進(jìn)行煙氣余熱回收改造前，燃?xì)夂牧枯^大，尤其是在冬季，為了消除煙氣冷凝水給現(xiàn)場帶來的不利影響，耗氣量會更高，燃燒器燃燒后形成的火焰尺寸較大，對爐管的沖擊作用強(qiáng)，火焰舔管隱患高。增設(shè)煙氣余熱回收裝置后，燃?xì)夂牧枯^以前大幅下降，燃燒產(chǎn)生的火焰尺寸顯著縮小，對爐管的沖擊損傷較以往情況有很大改善，從而提升了爐管的使用安全性，有效延長了加熱爐的使用壽命。

2 運(yùn)行數(shù)據(jù)及效益測算

2.1 燃?xì)饬繑?shù)據(jù)

1.0 MW 加熱爐煙氣余熱回收裝置于2022 年12月投運(yùn)，至研究采集數(shù)據(jù)時點(diǎn)，整體運(yùn)行狀況穩(wěn)定，未發(fā)生因煙氣余熱回收裝置因素導(dǎo)致加熱爐停運(yùn)的問題，煙氣余熱回收裝置與加熱爐系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行情況良好。為了直觀對比裝置投運(yùn)前后加熱爐生產(chǎn)能耗水平，從現(xiàn)場集控系統(tǒng)采集了近4 a 同期的加熱爐燃?xì)饬繑?shù)據(jù)，并進(jìn)行了整理，日燃?xì)饬繉Ρ惹€見圖4。4 a 同期（上年12 月至次年6 月）日耗氣量數(shù)據(jù)中，2023 年（2022 年12 月—2023 年6 月）日耗氣量水平最低。

圖4 日燃?xì)饬繉Ρ惹€Fig.4 Comparison curve of daily gas quantity

2.2 節(jié)能檢測數(shù)據(jù)

為了明確煙氣余熱深度回收裝置的具體節(jié)能量指標(biāo)，2023 年8 月邀業(yè)內(nèi)權(quán)威節(jié)能鑒定機(jī)構(gòu)對其性能進(jìn)行了節(jié)能檢測，節(jié)能檢測數(shù)據(jù)見表1。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，加熱爐排煙溫度降低后，綜合燃?xì)饫眯侍嵘?.53 個百分點(diǎn)，根據(jù)有效輸出熱量折算的裝置節(jié)能率為8.35%。

表1 節(jié)能檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Inspection data of energy conservation

2.3 經(jīng)濟(jì)效益測算

根據(jù)本項(xiàng)目2023 年的實(shí)際運(yùn)行情況，投運(yùn)煙氣余熱回收裝置后平均燃?xì)饬堪?0.5 Nm3/h 計(jì)，加熱爐年運(yùn)行時間330 d，燃?xì)鈫蝺r1.65 元/Nm3，燃?xì)鉄嶂? 2 MJ/Nm3，計(jì)算得到本項(xiàng)目年節(jié)氣量為4.58×104m3，折合經(jīng)濟(jì)收益為7.4 萬元。

3 煙氣冷凝水回收方案可行性分析

3.1 水質(zhì)檢測結(jié)果

為了進(jìn)一步研究并確認(rèn)煙氣冷凝水作為爐水阻垢劑進(jìn)行回用的可行性，邀業(yè)內(nèi)權(quán)威水化機(jī)構(gòu)，分別對煙氣冷凝水、原爐水和混合后爐水進(jìn)行了取樣檢測，2023 年5 月水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Inspection data of water quality

3.2 結(jié)果分析

由表2 數(shù)據(jù)可以看出，煙氣冷凝水的酸性較強(qiáng)，具備作為爐水阻垢劑的基本條件。同時可以看到，將煙氣冷凝水跟爐水混合后，使得爐水的pH值下降了0.03，起到了一定的防垢作用，且對其他組分影響也較小，綜合來看，將煙氣冷凝水注入爐水進(jìn)行回用，對爐水本身的性質(zhì)影響不大，具備可操作性。

此外，考慮到煙氣冷凝水的產(chǎn)量問題，該加熱爐最大燃?xì)饬繛?20 Nm3/h，此時冷凝水產(chǎn)量最多為60 kg/h，爐水流量按照實(shí)際平均約15 m3/h 計(jì)算，冷凝水量約占爐水量的0.4%，這個數(shù)據(jù)也可從側(cè)面反映出，將煙氣冷凝水摻入爐水中，對整個水循環(huán)系統(tǒng)影響甚微，由此也說明采用這種煙氣冷凝水回收方案具備可行性。

4 結(jié)論

1）相比于現(xiàn)有節(jié)能產(chǎn)品主要回收煙氣顯熱的特點(diǎn)，智控型煙氣余熱深度回收裝置能夠?qū)⒓訜釥t排煙溫度降至50 ℃以下，綜合回收煙氣中的顯熱和潛熱，節(jié)能率達(dá)到8.35%，節(jié)能效果更優(yōu)。

2）智控型煙氣余熱回收裝置能夠全部回收煙氣降溫過程中產(chǎn)生的冷凝水，徹底解決了困擾現(xiàn)有節(jié)能產(chǎn)品的煙氣冷凝水排放問題。

3）對1.0 MW 加熱爐進(jìn)行煙氣余熱深度回收，年可節(jié)約天然氣4.58×104m3，折合收益為7.4 萬元，經(jīng)濟(jì)性良好。

4）回收煙氣冷凝水的過程中，使得原爐水的pH 值下降了0.03，爐水品質(zhì)未發(fā)生明顯變化，且由于pH 值下降，在一定程度上起到了阻垢防垢的效果；裝置采用智能管控系統(tǒng)自控運(yùn)行，無需人員值守，不增加現(xiàn)場運(yùn)行人員的工作量。

下一步將調(diào)節(jié)閥控制燃燒器配風(fēng)的方式改為風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)風(fēng)，調(diào)控精度和便捷性會更好；取消系統(tǒng)的增壓泵，降低系統(tǒng)的電耗成本和系統(tǒng)設(shè)備故障率；在煙氣余熱回收裝置水路設(shè)置安全閥，預(yù)防水側(cè)超溫超壓；改進(jìn)智能管控系統(tǒng)的顯示界面和功能配置，提升管控系統(tǒng)的易讀性，便捷化其操控性。