喇嘛甸油田负压燃烧加热炉配风量优化技术研究

孙立波（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

截至2018 年底，喇嘛甸油田建有转油站46座，脱水站6 座，安装加热炉308 台，其中高效炉、二合一加热炉有202 台，占总数的65.6%。二合一、高效炉均为负压炉，主要用于掺水和热洗，其耗气量占总油田耗气量的92.3%。负压加热炉燃烧器燃气量与风门采用电子连锁自动调节，不同电磁阀开度对应不同的空气量，一年四季使用一个配风表。燃烧器配风量不能随着气温变化进行调节，造成加热炉空气系数过大，影响加热炉运行效率。通过开展加热炉配风量优化技术，对于降低喇嘛甸油田转油站运行成本具有重要意义。

1 油田负压加热炉

1.1 工作原理

烟囱内烟气温度高，密度小，而烟囱外空气温度低，密度大，冷空气与热烟气之间形成压力差，这个压力差就是使空气进入炉内并使烟气排出的推动力。负压加热炉采用自然通风方式，利用烟囱的抽力，将助燃的空气通过燃烧器合风吸入加热炉，再将燃烧后的废气排出加热炉。加热炉烟道内安装烟气量调节挡板，通过调节挡板开度控制烟囱抽力大小，保持加热炉炉膛内一定的负压。

1.2 影响加热炉热效率因素

负压过大，将吸入大量冷空气，使热损失增加，炉效下降；负压过小，炉膛容易向外喷火，高温烟气向炉体外泄漏，造成安全隐患。合风开得过大，导致空气系数大，进入加热炉的空气量增多，降低炉膛温度，导致加热炉热效率降低。合风开得过小，入炉空气量减少，燃烧不充分，产生不完全燃烧现象，导致热效率降低。

挡板开度大，抽力大，带走热量多，热效率降低；挡板开度太小，抽力小，燃烧不稳定，易出现回火现象。负压加热炉燃烧器配风均是依据理论空燃比，根据不同燃气量配给不同空气量，形成固定的配风参数，加热炉运行时，根据配风参数表，供给固定的空气量。目前加热炉燃烧器合风、烟道挡板开度参数表一年四季不变，导致空气系数增大，加热炉效率降低。

2 配风量优化技术研究

2.1 气温变化规律

查阅大庆市气象资料，2017 年全市年平均气温为4.2 ℃，最冷月平均气温为-18.5 ℃，最低气温-39.2 ℃；最热月平均气温为23.3 ℃，最高气温39.8 ℃。

同时调查大庆地区2015、2016 年气温变化情况，绘制气温变化曲线。通过对比分析，2015、2016、2017 三年气温变化趋势相似。

2.2 气温对加热炉抽力的影响

经测试与分析1 月份负压变化幅度为5.8%，7月份负压变化幅度为8.8%，变化幅度不大。冬季、夏季抽力变化幅度为36.4%。

2.3 烟囱抽力随气温变化规律

环境温度、排烟温度、风力是影响加热炉的抽力的3 个因素，由于加热炉烟囱设置了挡板，能够控制风力对加热炉抽力的影响，因此环境温度和排烟温度是影响烟囱吸抽力主要因素。抽力是维持加热炉安全高效运行的重要参数，气温是影响抽力的重要参数。烟气温度与外界空气之间的温度差越高，烟囱抽力越大。加热炉抽力可以用下式计算：

式中：ΔP ——烟囱的抽力，Pa；

H——产生抽力的管段高度，m；

Ta——外部空气温度，℃；

Tf——计算管段中烟气的平均温度，℃；

B——大气压力，Pa。

烟囱高度是一个固定的值，大气压力与纬度有关，同一地区大气压力不变，因此影响烟囱抽力的2 个变量是环境温度和烟气温度。负压加热炉烟囱高度一般为18.5 m，设计排烟温度一般为260 ℃，环境温度取平均气温，2017 年月度负压变化曲线见图1。

图1 2017 年月度负压变化曲线

加热炉运行参数要随着负荷、气候及燃烧情况进行及时动态调整[1]。在用加热炉提效技术方向，是提高加热炉燃烧技术以降低空气系数[2]。炉膛压力是保证燃料良好燃烧的主要控制参数，可以通过调节烟道挡板开度控制炉膛压力，修正外界因素对空气系数的影响[3]。通过控制烟道档板开度，将炉膛负压调节在一定范围，就可提高加热炉运行效率[4]。负压加热炉的空气是依靠天然气的喷入形成的负压和烟囱抽力吸入的，为此控制助燃空气量要从优化合风开度和挡板开度两方面入手。助燃空气量首先通过调节合风开度进行控制。加热炉的炉膛负压是反映燃烧工况的重要参数，炉内燃烧工况发生变化，炉膛负压随即发生相应变化[5]。加热炉空气过剩系数与炉膛负压有直接关系[6]。挡板开度优化，以合理的负压值为目标进行控制。设定加热炉负压控制的目标值，然后对炉膛负压进行检测，如果负压偏离了正常的目标值，只要通过调整烟囱调节挡板，达到优化配风量的目的。根据原油生产的两个阶段，设置冬季、夏季两个生产阶段合风、挡板开度的参数表，从源头配风入手，优化燃烧器合风参数；在末端优化烟道挡板参数，控制加热炉的进风量。

3 配风量优化现场试验

保留加热炉燃烧器自动点火、熄火保护、自动配风等基本功能。在原燃烧器基础上增加夏季空燃比与冬季空燃比自动切换功能，通过优化合风开度、烟道挡板开度调节加热炉配风量（图2）。

图2 加热炉配风量优化示意图

喇XX1#加热炉安装空气系数配风表、挡板开度参数冬季、夏季自动切换程序。燃烧器运行过程中，控制系统依据设定的夏季与冬季切换时间，自动执行夏季空燃比或冬季空燃比。加热炉合风及挡板参数设置方法：燃烧器运行后，待加热炉出口温度稳定后，用便携式烟气分析仪检测排烟氧含量，调整风门开度，加热炉燃烧良好且一氧化碳小于0时，将燃气流量、风门开度值记录好，填入参数表中，形成第一组数据。然后再逐渐增大负荷，记录燃气流量、风门开度、负压值，全部设定完成后，形成空气系数配方表和挡板开度设定参数表。见表1、表2。

表1 夏、冬季燃烧器风门参数

表2 夏、冬季（负压在25～30 Pa）烟道挡板开度参数

以夏季配风参数表为例：当燃气流量为126 m3/h时，风门开度为34%；当燃气流量为210 m3/h 时，风门开度为80%。当天然气流量在80～120 m3/h 时，根据检测到的烟道压力值，动态调节烟道挡板，当检测烟道压力值大于30 Pa时，以60 s 为时间间隔每次动作1%开度，缓慢减小挡板开度，挡板开度下限为50°。

当25 Pa 检测烟道压力值小于30 Pa 时，挡板开度保持当前开度，挡板不动作。当检测烟道压力值小于25 Pa 时，以60 s 为时间间隔每次动作1%开度，缓慢增大挡板开度，开度上限为90°。当燃气流量在2 个临近的设定值之间变化时，风门的开度在对应的2 个风门设定值之间呈线性变化。喇XX1#加热炉试验效果对比见表3。

表3 喇XX1#加热炉试验效果对比

配风量优化后，喇XX1#加热炉效率提高2.9 个百分点，预计年节气1.05×104m3。喇XX1#、喇XX2#、喇XX3#三台加热炉开展现场试验后，加热炉平均热效率由76%提高到78.5%，提高2.5 个百分点，预计年节气5.92×104m3。

4 结论

油田负压加热炉抽力受季节气温影响，导致加热炉抽力变化，影响加热炉配风量，具备节能优化的空间。加热炉合风、烟道挡板应根据季节进行及时调节，通过分阶段优化加热炉合风开度、烟道挡板开度，合理调节配风量，能够优化加热炉空气系数，提高加热炉热效率。喇嘛甸油田现有负压加热炉202 台，配风量优化技术在喇嘛甸油田具有一定的推广前景。