井口加热炉提效优化方法的分析及论证

马 娜，柏艳玲，李鹏杰，周 浩，许圣君

（新疆石油工程设计有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830026）

井口加热炉提效优化方法的分析及论证

马 娜，柏艳玲，李鹏杰，周 浩，许圣君

（新疆石油工程设计有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830026）

加热炉是油气田集输过程中广泛使用的自耗燃料较大的设备之一，为了提高其热效率降低装置能耗、提高经济效益，本文针对新疆某气田井口加热炉，从运行现状以及热效率计算两方面进行分析，得出影响加热炉效率的两大因素：排烟损失以及散热损失，同时提出了提高加热炉热效率的优化方法，并进行了论证。

加热炉热效率；排烟损失；空气过剩系数；炉体结构

加热炉是油气田集输过程中广泛使用的加热设备，也是消耗能量最多的装置。因此，重视现有老装置中加热炉的技术改造和新装置加热炉的新技术应用，提高加热炉热效率，是降低装置能耗、提高经济效益的关键所在［1］。

本文针对全面提升新疆某气田井口加热炉热效率，通过计算、分析对比对提高加热炉热效率的方法进行论证。

1 已建井口加热炉现状

下表为 2015年新疆油气田各单位加热炉的测试统计不合格情况统计表，测试结果详见图1。

图1 加热炉的测试统计Fig.1 The test statistic of heating furnace

井口加热炉额定功率均小于0.4 MW，根据《油田生产系统节能监测规范》对加热炉监测项目与指标要求可知，加热炉的普遍不合格项为过剩空气系数偏高（规范要求≤2,2）。

在满足《油田生产系统节能监测规范》对加热炉监测项目与指标要求的基础上，若要更好的提高加热炉热效率，降低能耗，实现加热炉热效率≥86%，需要对影响加热炉热效率偏低的因素做出进一步地分析论证［2］。

2 热效率偏低原因分析

2.1 现状分析通过对加热炉运行现状进行分析，得出以下结论：

1）采用手动燃烧器（大气式燃烧器）的加热炉，过剩空气系数相对偏高。

（1）大气式燃烧器的配风调节需要操作人员根据现场工况以及气候条件变化做出调节。在工艺及气候条件发生变化时未及时调整空燃比，导致过剩空气系数相对偏高。原因分析

（2）简易燃烧器从技术上无法精细调节配风。采用自然吸气简易燃烧器，剩空气系数普遍偏大。

2）在额定功率、过剩空气系数以及排烟温度相近的情况下，高负荷率运行加热炉比低负荷运行的加热炉热效率高。即加热炉负荷率越高，热效率也越高。

原因分析：

由于气田井口的日产气规模会随开采时间的增长而降低，所需的热负荷也会降低，这就导致加热炉运行一段时间后，负荷率就会下降，偏离设计要求。实际所需热负荷小于加热炉额定负荷，就会出现大马拉小车的情况，炉内结构产生的机械热损失增大，从而导致热效率降低［3］。

2.2 加热炉热效率计算公式分析

（1）正平衡法加热炉热效率计算

式中：Q—加热炉有效输出热量，kJ/h;

Qr—供给热量，kJ/h;

（2）反平衡法加热炉热效率计算

式中：q2—排烟热损失，%;

q3—气体未完全燃烧热损失，%;

q4—固体未完全燃烧热损失，%;

q5—散热损失，%;

q6—灰渣物理热损失，%;

注：参考《加热炉热工测定》SY/T 6381-2008。

2.2.1 影响排烟损失的主要因素

1）过剩空气系数

过剩空气系数越高，说明进入加热炉内的空气越多，大量的过剩空气随着排烟，将较多的热量从烟道排入大气，热损失增大。此外，过剩空气系数过大还使燃烧温度下降，从而减小热辐射的强度，增加燃料用量，导致热效率下降。实践证明，燃气加热炉合理的空气过量系数一般在1.05～2之间时，燃烧效率最高。

2）排烟温度

根据热效率反平衡计算公式可知，排烟温度越高，排出烟气的热焓值越高，带走热量就越多，排烟损失就越大。

2.2.2 影响排烟损失的主要因素

1）加热炉结构

传统火筒结构制造简单，选材单一，多采用圆柱形直火筒方式，换热面积受限，增大炉体结构以及壳体外表面积，即增大了对外散热损失。

2）加热炉保温

选用的加热炉保温层厚度不够，质量不佳也会导致加热炉隔热效果不好，增大加热炉对外散热损失。

3 提高加热炉热效率方案

3.1 降低排烟损失

3.1.1 采用全自动比例调节式燃烧器，控制过剩空气系数

（1）使用先进的全自动比例调节式燃烧器。与大气式燃烧器相比，全自动电子比例调节式燃烧器可实现以下功能［4］：

①燃烧器自动点火、火焰监测、熄火保护及故障显示。

②燃气压力检测，助燃空气温度自动补偿。

③燃烧工况自动调节保证加热炉运行的最佳工况；

④燃烧器在线动态检测各执行元件(安全检测)：

⑤实时监控加热炉运行参数。

效率的根本就是降低加热炉的排烟损失以及散热损失。

（2）加热炉燃烧器一端增加彩板房，降低外界环境对过剩空气系数的影响。

外界环境及气候条件对加热炉过剩空气系数的影响也是很大的。在无人值守的露天环境下，外界温度过低，风速过大，均会影响燃烧器吸入的空气量，进一步影响到燃烧效果。同时全自动比例调节式燃烧器电动执行机构对环境温度也有一定要求，一般温度超过-15～50 ℃，电动执行机构将不能正常工作，建议在加热炉燃烧器一端增加一个保温防风沙彩板房［5］。

3.1.2 烟气余热利用技术

烟气余热利用技术是通过高温预加热空气、燃料从而达到降低排烟温度，提高效率的目的。该装置由换热器、风道及加热炉热风型燃烧器组成。通过燃烧器风机将热空气引入燃烧器，从而降低排烟温度，并可解决新疆低温气候下燃烧器进风口冰冻问题。

3.1.3 降低排烟损失方案对比

对以上两种降低排烟损失方式进行反平衡法加热炉热效率论证计算。计算结果见表1。

通过上表计算结果可知，对于井口加热炉通过改用自动配风燃烧器热效率可提高至87.24%，可以满足加热炉热效率提高至86%及以上的要求。

根据统计，井口加热炉排烟温度一般都在130～160 ℃左右，通过烟气余热利用技术降低排烟温度，提高加热炉效率，热效率仅只可以提高至81.84%。不能满足加热炉热效率提高至86%及以上的要求。

通过对比，综合考虑热效率提高程度以及适用性。推荐加热炉通过采用自动配风燃烧器提高热效率，在此基础上在加热炉燃烧器一端增加彩板房降低外界环境对过剩空气系数的影响，使过剩空气系数保持稳定。

表1 水套炉热效率计算结果表Table 1 Thermal efficiency calculation sheet of water jacket furnace

3.2 降低散热损失

加热炉的散热损失与加热炉整体散热面积、炉内结构、炉壁温度以及环境温度、风速均有关。

3.2.1 加热炉炉体结构的优化

高效加热炉内部结构优化详见下图，加热炉火筒采用波纹管，烟道采用14根Φ 114管束烟道进行换热，大大增加了换热面积，提高了热量的利用率，且减小了炉子整体尺寸，减小炉整体散热面积，降低了加热炉对外散热损失(图2)。

3.2.2 保温材料的优化

加热炉工作时处于高温状态，良好的绝热设计对降低加热炉散热损失也是非常必要的。复合硅酸盐材料综合性能优良，施工条件好，作为加热炉保温首选材料。同时，施工时还需保证加热炉保温层的质量与厚度满足设计要求。

图2 加热炉三维内部结构图Fig.2 3D internal structure of heating furnace

4 结论

结合现状，通过计算与分析对比，井口加热炉优化改造措施主要从降低排烟损失及散热损失着手，改造方案为： 1)采用自动配风燃烧器控制过剩空气系数从而降低排烟热损失； 2)优化加热炉内部结构，采用波纹管，增加换热烟管数量，从而增大换热面积，减小炉体外部尺寸，降低散热损失(表2)。

表2 水套炉热效率计算结果表Table 2 Thermal efficiency calculation sheet of water jacket furnace

经过优化改造的加热炉最终热效率可提高至86%以上。

［1］ 林军, 等. 提高水套炉热效率的方法[J]. 青海石油，2013：98-99．

［2］ 刘录. 加热炉控制排烟温度及空气系数技术分析与应用[J]. 试验研究, 2013: 2-14.

［3］ 加热炉热工测定SY/T 6381-2008[S]: 25-30.

［4］ 火筒式加热炉规范SY/T 5262-2009[S]: 45-46.

［5］ 郭韵, 等. 天然气加热炉的发展现状与改进探索[J]. 天然气应用, 2009，06-12.

Demonstration and Analysis of Improving the Efficiency of Heating Furnace

MA Na，Bai Yan-ling，LI Peng-jie，ZHOU Hao，XU Sheng-jun
（Xinjiang Petroleum Engineering Co., Ltd, Xinjiang Urumchi 830026，China）

Heating furnace is widely used in oil field gathering system. In order to improve the thermal efficiency, reduce the energy consumption and improve the economic benefit, operational status and thermal efficiency of heating furnace in a Xinjiang oilfield were analyzed, two factors of affecting the thermal efficiency were put forward as follows: exhaust loss and heat loss. At last, the measures of improving the efficiency of heating furnace were pointed out.

efficiency; exhaust losses; coefficient of excess air; furnace construction

TQ 052

A

1671-0460（2016）11-2602-03

2016-05-08

马娜（1991-），女，甘肃省兰州市人，助理工程师，2013年毕业于东北石油大学化学工程与工艺专业，研究方向：油气田地面工程。E-m ail：403845532@qq.com。