提高真空加热炉热效率节能效果分析

宋巍 吴贺（大庆油田采气分公司）

提高真空加热炉热效率节能效果分析

宋巍 吴贺（大庆油田采气分公司）

真空加热炉是徐深气田井站里最重要的设备之一，而热效率的大小直接关系到加热炉运行状态的好坏，提高其热效率对于节能降耗意义重大。通过对加热炉热效率的计算方法进行分析和讨论，提出了一些提高加热炉热效率的措施，希望能够为其节能降耗提供参考。

真空加热炉 热效率

真空加热炉是徐深气田井站里最重要的设备之一，它主要负责各单井产气的换热任务，提高三级节流前的温度，进而防止三节后冻堵。而热效率是衡量加热炉运行状态的重要参数之一，它不仅能够反映出加热炉是否工作在最佳状态，同时还可以在节 能 降 耗 方 面 提 供 参 考[1]。 如 何 计 算 加 热 炉 的 热 效率，怎样提高加热炉的热效率，降低燃料气的消耗，成了亟待解决的课题。

1 真空加热炉热效率的计算和分析

1.1真空加热炉原理

徐深气田真空加热炉主要以天然气为主要燃料，用软化水作为中间介质，首先燃烧器将燃料气充分在火筒中燃烧，炽热的高温气体经回烟室以及2～3 回程的烟管与锅壳内软化水充分换热，水受热沸腾由液相变为气相蒸发，并与密封在一个容器中的加热盘管接触，由于盘管外表面温度较低，从而使 蒸 汽 冷 凝 ， 并 把 热 量 传 递 给 盘 管 内 介 质[2]。 冷 凝后的水再次落下，如此循环往复，实现了给天然气加热的目的，见图1。

1.2真空加热炉热效率计算方法及实例分析

SY/T6381—2008 对 加 热 炉 热 效 率 的 定 义 是 ：同一时间内加热炉的有效输出热量与供给能量的比值，用百分数表示。在可以忽略被加热介质带入加热炉的热量从输入到输出过程所产生的能量损失时，加热炉热效率为同一时间内加热炉的被加热介质输出热量与输入热量之差与供给能量的比值，用百分数表示。而对于热效率的计算可以通过两种途径：正平衡法和反平衡法。

图1 真空加热炉内部结构示意图

所谓正平衡法就是根据热效率的定义来进行计算。

式中：

η——热效率，%；

Cq——天然气的定压比热容，kJ/（kmol·K）；

Ng——天然气的物质的量，kmol；

Cw——水的比热容，kJ/（kg·K）；

H ——天然气的热值，kJ/kg。

由于徐深气田所产天然气大部分含水，并且真空加热炉位于分离器之前，这样造成换热介质不单纯是天然气，还有一部分水的影响，因此，我们应该把水和天然气共同作为被加热介质。

计算实例：以徐深某集气站为例，徐深某集气站×年×月×日的生产数据见表1。

表1 徐深某集气站×年×月×日的生产数据

首先计算每口单井的有效利用热量，以徐深某井为例：

同理可以得出其它5口井的有效利用热量，则可得出加热炉的热效率为：

而反平衡法就是通过测定各种燃烧产物热损失和加热炉散热损失来确定热效率的方法。其计算公式如下：

式中：

q2——排烟热损失；

q3——气体未完全燃烧热损失；

q4——散热损失。

通常来说，加热炉热效率计算应该同时采用正平衡法和反平衡法，然后求取其平均值来进行确定，但由于各种热损失只能通过现场测量的方法得到，而目前的条件不允许，所以无法进行定量计算，但可以对影响热效率的各个因素进行定性分析。

2 真空加热炉热效率的影响因素分析

2.1排烟热损失

排烟热损失 (q2)指烟 气进 入烟 囱时带走的部分热量。其大小主要取决于排烟温度的高低和排烟处的烟气量的大小。在燃料及送风条件保持稳定时，排烟量的变化可以忽略。排烟温度的高低直接影响热效率的大小，排烟温度越高，热效率越小。一般排烟温度每升高 10～15 ℃，热效率会下降 1%。因此，在实际生产中应该尽量降低排烟温度，进而提高热效率，但是也不益过低（低于烃露点），否则加热炉尾部易产生滴水现象，以致诱发加热炉尾部受热面腐蚀问题。一般情况下，加热炉安全排烟温度要高于烟气烃露点5～10 ℃。

2.2气体未完全燃烧热损失

气体 未完 全燃 烧热 损失 (q3)指 燃烧 过程 中产 生的可燃气体 CO、CH4等未完全燃烧而随烟气排走所造成的热损失。该项损失主要取决于排烟处的CO含量和过量空气系数。空气量过大时，增加了加热炉内部的空气流动速度，将一部分未燃烧气体带走，影响了燃烧效果，增加了 q2热损失。空气量不足时，炉膛温度不高，空气没有与可燃气体充分混合，可燃气体没有充分燃烧就排走。

2.3散热损失

加热炉在运行过程中，由于保温材料并不是完全隔热，加热炉的介质热量通过炉墙、烟风道等外表面散发出来，该部分散失的热量即散热损失(q4)。 散热损 失大小 主要是 由锅炉 外壁面 积及外 壁温度所决定，通常加热炉的散热损失较小，可以通过加强加热炉本体和管道保温，防止或减少炉体表面 热 量 损 失[3]。

3 提高热效率的措施

根据热平衡原理，热损失小了，有效利用热就多，效率便会提高。因此，如何提高加热炉热效率就成为研究如何降低热损失。通过分析热损失的影响因素，得出以下提高热效率的措施。

1）及时清理火筒受热面上的烟灰和水垢。由于 烟 灰 的 导 热 系 数 为 0.07～0.12kW/（m · K）， 水 垢的导热系数为 1.28～3.14kW/（m· K），而钢材的导热 系 数 为 35.6～50.6kW/（m · K）， 大 约 是 烟 灰 的463 倍，水垢的 19.5 倍，这样一来，假如加热炉在运行中，受热面上的烟灰和水垢不及时清理，传热阻力将大大增加，造成排烟温度升高。因此应该及时清理火筒受热面上的烟灰和水垢。

2）控制风量配比。一般来说，燃料气必须要在一定多余空气量的条件下才能完全燃烧。燃烧所用的实际空气量与理论空气量之比称为过剩空气系数α。而合理的过剩空气系数 α =1.05～1.15。热效率与过剩空气系数的关系如图2所示。

图2 热效率与过剩空气系数的关系

从 图中可 以 看 出 ：当过 剩 空 气系数 α ＜1.16时，虽然 q2也随 α 的降低而降低，但 q3随 α 的下降而增大，使热效率也出现下降的趋势；当过剩空气 系 数 α ＞1.16 时 ， 随 着 α 的 增 大 ， q2逐 渐 增大，热效率逐渐降低。

而实际生产中首先是要选用性能良好的燃烧器，保证在较低的过剩空气系数下完全燃烧；其次是在操作过程中管好两门一板（风门、气门和烟囱挡板）确保加热炉在合理的过剩空气系数下运转，既不让过剩空气量太大，也不因过剩空气不够而出现不完全燃烧；再者是应做好加热炉的堵漏，因为真空加热炉都是负压操作的，如果看火门、人孔门、弯头箱门等关闭不严或炉墙有泄漏之处，从这些地方漏入炉内的空气一般都不参与燃烧而白白带走热量。

3）修补炉墙或喷涂高温远红外涂料。加热炉炉外壁以辐射和对流两种方式向大气散热。散热量与炉外壁温度、环境温度和风速等有关。当内壁温度一定，炉墙材质、结构和尺寸已一定时，环境温度下降，炉外壁温度也降低，实际温差变化不大，散热损失变化也不大。同样，环境风速增加，外壁温度也降低，但对流传热系数增加，因此散热量变化也不大。

4）控制加热炉的负荷率。通过一台真空加热炉在不同月份的纵向对比发现：热效率与负荷率存在一定关系，其随着负荷率的降低而降低，见图3。

图3 某集气站加热炉2011年上半年各月平均热效率和平均负荷率关系曲线

又通过对各集气站加热炉平均热效率及其负荷率进行统计分析，见图4。

将平均负荷率按从小到大的顺序进行重新排列，见图5。

从图5中可以看出：热效率曲线呈近似抛物线形状，当负荷率接近 100%时，热效率最大；而在100%两侧，热效率逐渐减少。这是由于加热炉超负荷运转时，供给的燃料气相对于供给的空气较多，此时气体不完全燃烧，燃料会随着烟气排出，造成气体不完全燃烧热损失增大，从而热效率降低。因此我们应该控制加热炉的负荷率，杜绝超负荷运转。

图4 各集气站加热炉平均热效率和平均负荷率关系曲线

图5 各集气站加热炉平均热效率和平均负荷率关系曲线

4 结论及认识

1）加热炉热效率计算有正平衡法和反平衡法两种方法，热效率计算应该取两者的平均值，精度要求不高时可以采用其中一种方法进行计算。

2）影响真空加热炉热效率的影响因素主要包括：排烟热损失、气体未完全燃烧热损失和散热损失。

3）通过及时清理火筒受热面上的烟灰和水垢、控制风量配比、修补炉墙或喷涂高温远红外涂料和控制加热炉的负荷率等措施可以提高真空加热炉的热效率，达到节能降耗的目的。

[1] 裴召华.提高火筒式加热炉热效率的措施[J].石油规划与设计,2009(9):46-47.

[2] 王金枝,肖明,姜春敏.排烟温度对锅炉效率的影响[J].山东电力技术,2008(2):35-37.

[3] 张国光,姜英.锅炉各种热损失对锅炉效率的影响程度分析[J].煤质技术,2009(7):46-49.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.007.029

2013-03-26）

宋巍，2005年毕业于大庆石油学院，从事资产设备管理 工 作 ， E-mail： songwei@petrochina.com.cn， 地 址 ： 黑 龙 江 省 大庆油田有限责任公司采气分公司第二作业区，163000。