加热炉正平衡热效率实时在线测量技术的研究

邓寿禄　范　路　郑炜博　杨秀丽　胡晓峰（中国石化胜利油田分公司技术检测中心）



加热炉正平衡热效率实时在线测量技术的研究

邓寿禄范路郑炜博杨秀丽胡晓峰（中国石化胜利油田分公司技术检测中心）

目前各大油田运行着大量的原油加热炉，其运行状况无法进行实时判断，通常要通过定期监测才能知道，这给现场管理带来诸多不便。鉴于此，研究了加热炉正平衡热效率实时在线测量技术，给出了加热炉正平衡热效率实时在线测量的技术理论。同时，研究了测量系统构成，分析了它的工作原理。研究表明，要测量加热炉正平衡热效率只需要采集6个参数的量：被加热介质的体积流量，含水率，被加热介质的进、出口温度，加热炉的燃料量，燃料的温度。该技术的推广应用能够实现加热炉热效率在线测量，解决现场管理缺陷的问题。

加热炉正平衡热效率测量技术

引言

用热设备经常需要进行热工测试，热工测试能够确定被测试对象是否符合设计要求，是否违反自然科学规律、国家法律和行业标准；热工测试还能对被测试对象进行量的评估，通过具体数据描述被测试对象的状态，并且能为管理者和操作人员提供依据［1］。

油田的原油开采、处理、输送、储运过程中运行着大量的加热炉。加热炉作为油田的重要耗能设备，其用能管理显得尤为重要。在加热炉的整个使用过程中，需要对加热炉采集数据、建立档案和实施管理措施，并且对加热炉进行调试、操作和维护，这些过程都需要借助于加热炉的热工测试，需要了解加热炉的运行状况才能完成。以往对加热炉运行状况的了解，判断加热炉的运行效率如何，通常要通过定期监测才能知道，这给现场管理带来诸多不便。

传统的加热炉正平衡热效率测量方法采用定期的非在线人工方法。该方法的缺点主要表现为：测量需要多人配合；测量时间长；不能实现在线实时测量；受人为因素影响，准确性差。鉴于此，从加热炉的管理现状出发，对油田原油加热炉正平衡热效率的实时在线测量技术进行研究。

1　加热炉正平衡热效率实时在线测量原理

加热炉正平衡热效率是指加热炉有效利用热量与单位时间内所消耗燃料的输入热量的百分比。它表明燃料输入加热炉的热量被有效利用的程度。

根据加热炉正平衡热效率的定义，其计算公式［2］可表示为：

式中：η1为加热炉正平衡热效率，%；Qy为加热炉的有效热量，kJ/h；Qr为加热炉输入的热量，kJ/h。

其中，加热炉的输入热量为燃料的化学能和燃料的显热，通常加热炉的助燃空气未经预热，在此助燃空气的输入热量即为零。燃料的化学能即为燃料的低位发热量Qdw；燃料的显热Qrx为燃料的比热容与其温度的乘积。加热炉的输入热量可由下式表示：

式中：B为燃料的消耗量，kg/h或m3/h；Qdw为燃料的低位发热量，kJ/kg或kJ/m3；Qrx为燃料的显热，kJ/kg或kJ/m3；cr为燃料的比热容，kJ/（kg·℃）或kJ/（m3·℃）；tr为燃料温度，℃。

加热炉的有效热量为加热炉的热负荷，可由下式求得：

式中：D为被加热介质流量，kg/h；h1、h2分别为被加热介质进、出口质量焓，kJ/kg；V为加热炉被加热介质的体积流量，m3/h；w为被加热介质的含水率，%；ρw、ρo分别为水和油的密度，kg/m3；cw2、co2分别为水和油在温度t2下的比热容，kJ/（kg·℃）；cw1、co1分别为水和油在温度t1下的比热容，kJ/（kg·℃）；t1为加热炉中被加热介质的进口温度，℃；t2为加热炉中被加热介质的出口温度，℃。

把式（2）和式（3）带入式（1）中，可得加热炉正平衡热效率的计算公式

由式（4）可见，要测量加热炉正平衡热效率需要采集6个参数的量：被加热介质的体积流量V，被加热介质的含水率w，被加热介质的进、出口温度t1、t2，加热炉的燃料量B，燃料的温度tr。

2　实时在线测量系统的构成及其工作原理

加热炉正平衡热效率实时在线测量系统［3］如图1所示。该系统包括被加热介质体积流量计、含水测量仪、进口温度计、出口温度计、燃油（燃气）流量计、燃油（燃气）温度计、数据采集及积算仪。

在该系统中，被加热介质体积流量计选择涡轮流量计或靶式流量计；被加热介质含水测量仪选择FKC01型在线含水率分析仪；被加热介质进口温度计选择热电偶温度计；被加热介质出口温度计选择热电偶温度计；燃油（燃气）流量计测量燃油时，可选择椭圆齿轮流量计或腰轮流量计，如果测量燃气时，选择涡街流量计；燃油（燃气）温度计选择热电偶温度计；数据采集及积算仪具备信号转换、存储、数据处理、显示和输入/输出功能。

上述的6种仪器仪表具备电信号远传，首先电信号输入数据采集及积算仪中，电信号通过信号转换模块转换成数字信号，数字信号被储存模块实时储存，然后数字信号输入数据处理模块进行实时处理计算出正平衡热效率，显示模块能够实时显示各个参数及计算结果，输入/输出模块能够实现外部参数的设定及内部参数的输出。

图1　加热炉正平衡热效率实时在线测量系统

3　实时在线测量技术的优势

油田原油加热炉正平衡热效率实时在线测量技术具有如下优点：

1）能够对油田原油加热炉正平衡热效率进行实时在线测量。

2）实时显示油田加热炉热负荷，燃料消耗量。

3）给现场操作人员调炉提供实时数据。由加热炉正平衡热效率实时在线测量系统工作原理可知，该系统能够实时采集被加热介质体积流量、含水率、进口温度、出口温度和燃油（燃气）流量，通过这些数据的采集，积算仪能够实时计算加热炉的运行负荷并加以显示。现场操作人员可以根据实时采集的数据对加热炉的运行参数进行及时的调整；根据积算仪计算显示的运行负荷，可以根据现场负荷需求状况对加热炉的运行负荷进行调整。

4）给现场管理人员实时判断炉况提供依据。

5）无需人工操作，测量结果准确可靠。

4　结论

1）通过加热炉正平衡热效率实时在线测量理论表明，要测量加热炉正平衡热效率只需要采集6个参数的量：被加热介质的体积流量V，含水率w，进、出口温度t1、t2，加热炉的燃料量B，燃料的温度tr。

2）加热炉正平衡热效率实时在线测量系统具有数据采集、存储、数据处理、显示和输入/输出功能。

3）加热炉正平衡热效率实时在线测量技术的推广应用能够实现加热炉热效率在线测量，解决现场管理缺陷的问题。

［1］唐经文.热工测试技术［M］.重庆：重庆大学出版社，2007：6-7.

［2］邓寿禄，王贵生.油田加热炉［M］.北京：中国石化出版社，2011：245-249.

［3］邓寿禄，寇玮，马景树，等.油田原油加热炉正平衡热效率实时在线测量装置：中国，201220051919.X［P］.2012-09-12.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.10.002

2015-08-01）

邓寿禄，高级工程师，1991年毕业于石油大学（华东）（热能工程专业），从事能源检测及利用研究，E-mail：sljc16888@126. com，地址：山东省东营市济南路2号技术检测中心，257001。