提高加热炉运行效率方法研究

曲照涛（大庆石油管理局有限公司技术监督中心）

1 现状

加热炉是油气田集输工艺中广泛使用的设备。现在油田主要在用加热炉按其结构可分为火筒炉、管式炉和真空加热炉。目前，大庆油田在运行的加热炉2000多台，经过数据分析与现场测试发现，加热炉过剩空气系数较大，主要原因：一部分加热炉在5月—10月处于低负荷运行状态，一部分加热炉处于烘炉状态，在以上工作状态下加热炉负荷率较低，排烟温度偏低，炉体散热热损失较大，加热炉热效率偏低。加热炉热效率是评定加热炉经济性的主要指标之一，热效率的高低可以反映出加热炉对燃料有效利用的程度。油田加热炉通常应用正平衡法和反平衡法对加热炉热效率进行测试[1]。

2 加热炉运行存在问题

2.1 加热炉送风系统

由于燃料的成分以及加热炉的负荷随季节的变化而发生改变，加热炉燃烧所需进气量也相应发生变化，燃烧器厂家第一次安装调试后，进气量很少再随实际燃气量的变化而进行再次调整。现场操作人员不能根据加热炉运行状态的改变及时进行进气量调节，就会导致加热炉的运行热效率下降，造成燃料的浪费，增加运行成本。当加热炉进气量过大时，会将一部分热量直接吹入排烟通道，致使排烟温度升高。

2.2 负荷率对加热炉效率的影响

加热炉的散热损失主要取决于加热炉的炉体散热面积、炉体保温层和运行负荷率。其运行负荷率是指加热炉的实际运行功率与设计额定功率的比值。由于加热炉的负荷率随季节变化的而改变，冬天时加热炉的负荷较大，而夏天时加热炉的负荷较小。夏季温度较高，大部分原油冷集输，转油站加热炉少部分运行就能满足生产的要求，但为了避免加热炉长时间停运时会导致炉内结构及工艺管线腐蚀生锈，所以转油站相同作用加热炉全部运行，进而导致每台加热炉的负荷较低，加热炉的散热损失较大，热效率更低。现场测试数据也验证了这种情况（图1）。

图1 加热炉不同负荷率下热效率

根据图1分析，随着加热炉负荷的增加，加热炉的效率也增加。所以提高负荷运行有利于提高加热炉的效率。

2.3 排烟温度的影响

1）加热炉传热面积灰结垢是影响加热炉安全、稳定、高效运行的主要因素，当传热面积灰结垢时，它所造成的负面影响将是持久并递增的。造成受热面积灰结垢的主要因素有：天然气组分硫含量较高；燃料未炉膛内充分燃烧。加热炉长时间运行时，导致受热面表面垢越来越厚（未及时清理），被加热形同介质的温度时能被介质吸收有效热量随其变化。以上因素会导致排烟温度升高，排烟热损失增大，导致加热炉运行效率降低。由于加热炉烟道口受热面表面结垢加剧，导致加热炉烟道口变小，烟气流动阻力将增大，当加热炉处于较高负荷运行时，不仅会造成燃烧条件的恶化，燃烧不充分，又会使加热炉处于微正压的工作状态，增加安全隐患[2-3]。

2）部分加热炉的炉膛较短，同时燃烧火焰长度过大，致使烟气在炉膛内停留时间较短，热量不能有效利用而直接从排烟通道排出，从而导致排烟温度上升。

3）由于现场生产需要，加热炉的处理量增加，出口温度要求较高，当大火加热时火焰强度大，火焰热量未利用就从排烟通道排出，从而导致排烟温度上升（图2）。

图2 加热炉不同排烟温度下热效率

根据图2分析，当加热炉负荷一定时，加热炉的效率随着排烟温度的升高，急剧下降。

2.4 过剩空气系数的影响

1）在加热炉的实际运行中，燃料燃烧受热面的传热过程非常复杂。过剩空气系数(α)的变化对加热炉的排烟热损失(q2)、气体未完全燃烧热损失(q3)和热效率都有很大的影响。同时根据现场测试数据，绘制了加热炉排烟热损失与过剩空气系数的关系曲线（图3），气体不完全燃烧热损失与过剩空气系数的关系曲线（图4）。

从图3可以看出，过剩空气系数越大，排烟热损失就越大，排烟热损失明显带走大量热随烟气排放至大气。从图4可以看出，当过剩空气系数在1.2～1.77，燃料燃烧充分，气体不完全燃烧热损失近似为0。当α大于1.77时，随其增大，q3逐渐增大。主要原因一方面是过剩空气系数增大，炉膛温度下降导致CO不能完全燃烧，另一方面由于α的增大，烟气在炉膛内的流速加快，燃料在炉膛内未能充分燃烧就被排出，致使q3增大；当a小于1.2时，随着α的减少，燃料燃烧所需空气量不足，造成了q3的增加。同时也就说明了当烟气成分分析仪O2含量小于3时，CO的含量容易超标的原因[4]。

图3 排烟热损失与过剩空气系数关系曲线

图4 气体不完全燃烧热损失与过剩空气系数关系曲线

2）过剩空气系数对加热炉炉管腐蚀及烟道腐蚀的影响主要分为两种情况：一是金属氧化腐蚀和硫化物露点腐蚀。当烟气中氧含量过高时，烟气侧高温炉管表面以及烟道表面形成一层脆性的金属氧化物薄膜。受热时由于这层金属氧化物和本体的热膨胀系数不同，容易导致薄膜脱落。氧化薄膜层脱落后，本体金属裸露，继续被氧化、脱落，最终导致炉管及烟道减薄甚至穿漏。二是天然气完全燃烧时生成的烟气中有CO2、SO2、氮氧化物及水蒸气等，其中的SO2与O2反应生成SO3，SO3和烟气中的水蒸气进一步结合生成硫酸以及亚硫酸蒸汽，硫酸及亚硫酸蒸汽遇到低温时就会冷凝成液体，即所谓结露现象，这时的温度称为“露点”温度。凝结在炉管表面的液态硫酸及亚硫酸不仅使炉管金属表面遭受严重的腐蚀，而且还会黏附烟灰，使烟气流通通道面积减少，加大烟气流动阻力；同时也使得炉管外的结垢热阻增大，烟气和被加热介质的换热受到影响，加热炉效率下降。烟气露点的高低与天然气的含硫量、过剩空气系数、烟气中水蒸气含量等因数有关[5]。在其它条件一定时，过剩空气系数越大，即烟气中含氧量越大，生成的SO3就越多，相应烟气露点就越高，对炉管金属腐蚀的影响就越大（图5）。

图5 加热炉不同过剩空气系数下热效率

根据图5分析，当加热炉负荷、排烟温度一定时，加热炉的效率随着空气系数的增加而降低。

3 结论

1）合理调整加热炉的负荷，负荷越高，加热炉效率越高，夏季时根据现场需要合理启停加热炉数量，提高加热炉效率。

2）合理控制排烟温度，进而提高加热炉效率。

3）合理控制加热炉的空气进入量，降低空气系数，进而提高加热炉效率。