过剩空气系数控制对加热炉燃烧效率的提升

林墨苑（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

过剩空气系数控制对加热炉燃烧效率的提升

林墨苑（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

原油加热炉的技术水平及装备状况直接影响到油田地面工程建设的技术水平与经济效益，过剩空气系数与排烟热损失、气体不完全燃烧热损失及加热炉热效率有着直接的关系，通过理论分析过剩空气系数与排烟热损失、气体不完全燃烧热损失的关系，研究其对原油加热炉热效率的影响，可得出过剩空气系数实际应用的最佳范围。通过现场测1.7MW加热炉，单台加热炉年可节约用气4.08×104m3，年可节约生产投入4.08万元。

过剩空气系数；一体化燃烧器；热效率；燃烧效率

随着我国油田开发的不断深入，油田生产中使用的加热炉数量越来越多，加热炉作为降黏、伴热等生产与保障系统中的重要设备之一，在油田生产中起着至关重要的作用。加热炉的运转状况，直接影响到生产中能耗投入。燃烧器作为加热炉的核心，其运行状况是加热炉安全节能环保的基本保障，如果运行效率低，不仅造成能源浪费，还会导致排放不达标带来环境污染[1]。随着燃烧器制造技术、自控技术和信息技术的发展，先进燃烧器控制及炉效管理技术逐渐在实际生产中运用，加热炉运行效率有了较大提高，有效节约了日常生产中燃气的消耗，降低了油田的生产成本投入。

1 过剩空气系数与加热炉运行效率关系

1.1 过剩空气系数

加热炉燃烧使用的燃料与空气混合燃烧时存在不均匀性，燃料完全燃烧所需实际空气量与理论空气量的比值为过剩空气系数[2]。

式中：α——过剩空气系数；

VK——实际燃烧空气量，m3；

V0——理论燃烧空气量，m3。

过剩空气系数太大，排烟带走热量降低了加热炉的热效率。不仅增大热损失，也会使烟气中的含氧量增加，加速炉管的氧化腐蚀。过剩空气系数太小，也会降低加热炉的热效率，同时造成燃料不完全燃烧，造成资源浪费。过剩空气系数不仅影响到加热炉的热效率，还影响排烟热损失[3]（图1）。

图1 排烟热损失与过剩空气系数关系

由图1可见，随着过剩空气系数增大，排烟热损失也在增大。即大量热量随烟气排放至大气[4]。图2为燃气不完全燃烧损失与过剩空气系数关系曲线。

图2 燃料不完全燃烧损失与过剩空气系数关系

当过剩空气系数小于1.17时，燃气燃烧所需氧量不足，造成了气体不完全燃烧热，热损失增加。当过剩空气系数在1.17～1.75燃料燃烧充分[4]。

1.2 加热炉热效率

向加热炉提供的能量被有效利用的程度可用加热炉热效率η表示，即被加热流体吸收的有效热量与燃料燃烧放出的总热量之比。加热炉热效率可由以下公式计算求得：

式中：η——热效率，%；

q1——排烟热损失，%；

q2——不完全燃烧热损失，%；

q3——其他热损失，%。

其他热损q3，一般变化不大，可设为常值。热效率主要受q1和q2影响，而q1和q2主要受过剩空气系数影响，则剩空气系数是热效率的主要影响因素。加热炉效率与过剩空气系数关系曲线见图3。当过剩空气系数α大于1.16时，随着过剩空气系数的增大，排烟热损q1增大，热效率降低。当过剩空气系数α小于1.16时，虽然排烟热损失q1下降，但是由于不完全燃烧热损失q2增大，使热效率有下降的趋势。

图3 加热炉效率与过剩空气系数关系

可见，过剩空气系数的大小是影响加热炉运行热效率的主要因素之一，通过实验测得过剩空气系数每增加0.1，加热炉运行热效率约降低0.64个百分点[4]，降低过剩空气系数是提高加热炉运行热效率的非常有效的办法，即当α大于1.1、小于1.3时，加热炉的热效率较高。

2 过剩空气系数影响的因素

1）烟温度与氧气含量。当过剩空气系数过大时，加热炉运行中炉内烟气含氧量会增加，同时排烟时大量过剩空气量会将热量排入大气，加热炉热效率也随着热损失增多而下降。过剩空气是在出口烟气温度下排入大气的，烟气温度与过剩空气系数及热损失率关系见图4。

从图4可看出，排烟温度越高，热量随过剩空气流失得也就越多，加热炉热效率越低。相同排烟温度情况下，过剩空气系数越低，热损失约低，加热率效率越高。实验测得，每当排烟温度增加10℃，加热炉热效率降低约0.7个百分点。综上可知排烟温度、烟气含氧量是检测过剩空气主要的辅助系数。

图4 加热炉热损失与过剩空气系数及排烟温度的关系

2）空气过剩系数与炉膛负压的关系。通过实验测得，空气过剩系数随着加热炉炉膛负压的降低，过剩空气系数也随之降低，炉膛负压的最佳控制范围应为10～12mm水柱。炉膛负压值是控制加热炉过剩空气系数的重要参数[5]。

3）送风量、燃气量的配比与过剩空气系数的关系。燃气量是受加热炉负荷要求的，送风量与燃气量的配比是过剩空气系数的决定性参数，也是控制过剩空气系数最主要的参数。依不同的燃料该系数也不相同[6]。

3 结论

通过对一体化燃烧器在1.7MW加热炉上的实际测试，燃烧器在使用天然气负荷率45.45%的情况下。排烟热损失13.18%，不完全燃烧热损失0.001%，节气率7.06%，提高热效率10.62%。

如果以最低节气率5%，加热炉每天运行24h，年运行200天，低热值36MJ/m3，每1MW/h耗气100m3，燃气价格1元/m3计算，则单台1.7MW加热炉节气4.08×104m3，年节约生产投入4.08万元。

目前，各大油田上使用了大量的加热炉保证生产，如选用可优化过剩空气系数的燃烧器，其节能效果相当可观。

[1]李利子.关于低过剩空气系数燃烧控制的节能效果[J].吉林工学院学报，1989（3）：50-56.

[2]张亮军，陈猛.原油直接式加热炉过剩空气系数的合理选用[J].油气储运，2009，28（2）：50-51.

[3]傅忠诚，潘树源.过剩空气系数计算公式的比较[J].煤气与热力，2006（5）：27-29.

[4]许康，杨肖曦.过剩空气系数对原油加热炉热效率的影响[J].油气储运，2000，19（12）：51-53.

[5]任建兴，邓万里.过剩空气系数对多种燃气燃烧温度影响的分析[J].节能，2011，1（21）：24-26.

[6]胡金堂.控制过剩空气系数α的经验[J].中国特种设备安全，2012（7）：51-52.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.004

林墨苑，工程师，2004年毕业于大庆石油学院（测控技术与仪器专业），从事电气、自控仪表、通信系统的生产管理、规划设计工作，E-mail：linmoyuan@petrochina.com.cn，地址：大庆市第二采油厂规划设计研究所，163414。

2017-07-13