油气集输管道加热炉的改造和低碳化运行_聂肖虎.pdf

收稿日期：。作者简介：聂肖虎，男，年毕业于中国石油大学（华东）化工设备与机械专业，学士，现在中国石化销售华中分公司从事油气储运管理工作，高级工程师。：。油气集输管道加热炉的改造和低碳化运行聂肖虎（中国石化销售股份有限公司华中分公司，湖北 武汉 ）摘要：对加热炉进行提标增效改造对油气集输管道的绿色低碳运行具有重要意义。文章以输送三高原油 的魏荆线为例，从油品性质、加热炉工作原理和炉效率等角度详细分析了管道加热炉的改造效果。结果表明：相比于传统直接式加热炉，真空相变加热炉的炉效率提高，平均单耗降低 ，每年节约成本 万元；每年减少废气排放 万，减排二氧化碳当量（），实现了低碳减排目标。关键词：真空相变加热炉油气集输热效率低碳减排 ：加热炉是油田生产中提供热量的关键设备，尤其是在油田进入高含水期的稠油开发时和天然气开发中，加热炉显得更为重要【】。与此同时，加热炉也是油气集输过程中的主要耗能设备和废气排放设备，目前我国各大油田已建的不同类型加热炉有数万台之多，耗能和废气排放量十分惊人。油田集输常用的加热炉有直接换热式加热炉（简称直接式加热炉）和间接换热式加热炉（简称间接式加热炉）两种【】。早期主要采用直接式加热炉，这种加热炉直接通过火焰加热炉管中的原油、水、天然气及其混合物等介质，温升快，允许介质压力高，而且加热功率大，但炉管内壁容易结焦、结垢，导致传热系数降低或管壁局部过热，甚至失效发生危险，严重时还可能引发爆管等事故。因此，直接式加热炉逐渐被更换为间接式加热炉。目前油田使用的间接式加热炉主要是水套式加热炉【】。这种加热炉中，充满被加热介质的盘管浸没在水浴中，通过自然对流换热，传热系数较小，因此炉体钢耗量会比较大，存在氧腐蚀，需要经常补水，并且不能自动调节，容易出现烧高温或加热不足的问题。为解决上述问题，近年来研发了一种性能先进的相变加热炉。该炉型通过热炉火筒（辐射受热面）和烟管（对流受热面）加热中间介质水，使水受热沸腾，由液相变为气相蒸发；水蒸气逐步充满炉体的气相空间，通过盘管与被加热介质进行换热；换热后水蒸气在盘管外壁冷凝，在重力作用下落回水空间循环使用。由于增加了汽化潜热的能力传递，相变加热炉提高了换热效果。自 年研制投产以来，已先后应用在大庆、长庆、胜利、吉林等十几个油田。与油田使用的同功率水套式加热炉相比，真空相变加热炉占用空间小、换热效率高【】。近年来，在“双碳”背景下，中国石油化工行业面临重大变革，必将面临成本、技术、替代能源竞争的诸多挑战，因此重点改造治理能源消耗高、安全隐患大的加热炉迫在眉睫【】。本文基于魏荆输油管线（简称魏荆线）相变加热炉的成功投用，阐述了原油集输加热炉的改造过程和相变加热炉的应用实例，可为油田加热炉选择提供借鉴经验，也对安全生产、节能和提高生产效率具有非常重要的意义。魏荆线概况魏荆线输送河南油田的“三高”原油，该原油含蜡高、凝固点高、黏度高，全年都必须进行加热节能环保石油化工设备技术，（）输送，最佳处理及输送温度为 ，常年高温运行。原油物性参数如表所示。表油品物性项目相对密度 黏度（）凝固点胶质沥青质含量，蜡含量，号站 魏荆线共有 台直接式加热炉，年在“油改气”工程中有 台加热炉的燃油燃烧器改造为燃气或油气两用燃烧器。由于受传统加热炉结构的限制，油气能耗仍居高不下；在加热炉停炉年检时发现，“油改气”后对加热炉炉体、炉管、天圆地方和烟囱等部位的腐蚀虽然较烧油时有所缓解，但仍然较大，对加热炉安全运行仍构成较大威胁，依然长期困扰着生产。加热炉改造情况改造前情况 号 输 油 站 为 魏 荆 线 中 间 加 热 站，原 有 和 直接式加热炉各台，用于管输原油加热。图为直接式加热炉结构示意。从图中可以看出，原油由对流室炉管进入辐射室炉管，在辐射室内，燃烧器喷出的火焰主要以辐射方式将热量的一部分辐射到炉管外表面，另一部分辐射到炉管的炉墙上，炉墙再以辐射方式将热辐射到背火面一侧的炉管外表面上。在这两部分辐射热的共同作用下，炉管外表面逐渐升温，并与管壁内表面形成温差，热以传导方式流向管内壁，管内流动的原油又以对流方式不断从管内壁获得热量，实现了加热原油的工艺要求。图直接式加热炉结构示意原油加热工艺流程如图所示。原号炉进、出炉管线设置为双进双出，可以实现正输串并联、反输串并联等种工作方式，正常工作时台加热炉采用正输并联方式运行，用备。管线内原油经号加热炉加热至 左右后输送至下一站。改造后情况考虑到所输原油的三高特性，对加热炉进行改造时将原号直接式加热炉改成了一体化真空相变加热炉，其结构如图所示。新型真空相变加热炉从结构上改变了直接式管式加热炉的换热方式，采用两回程湿背间接加热式结构，主要由盘管、本体、烟囱、烟箱、操作间、燃烧器、火筒、烟管、回烟室、防爆门等组成。炉体分上、下两部分，上部炉体为盘管，下部炉体为燃烧室和回烟室，上、下炉体通过连接件密封连接；其中，上炉体顶部设有注液阀、安全阀，下炉体底部设有排污口，以便定期排出炉体内的沉淀物。图（）图（）是真空相变加热炉的控制工艺和介质流动过程。真空相变加热炉利用水在不同压力下沸腾温度不同的特性，通过沸腾排气法抽出容器内的空气，使炉内的介质只剩下水和饱和蒸汽，炉内压力变为负压 （表）。燃料在燃烧器内充分燃烧，产生的热量经加热炉火筒（辐射受热面）及烟管（对流受热面）传递给锅壳内中间介质 蒸馏水；蒸馏水在负压下受热蒸发形成饱和蒸汽，通过“蒸发冷凝再蒸发再冷凝”的相变换热方式将热量传递给盘管内的流动介质 油，使其达到一定温度。当热媒水被加热汽化的速度与蒸汽释放热量给被加热介质后凝结为水的速度达到某一平衡状态时，加热炉可维持在某一低于当地大气压力的负压状态下稳定工作。这种间接换热方式可使其热效率超出，远远高于传统直接加热炉最高炉效，能有效减少氮氧化物和二氧化碳排放，使长输原油管道加热输送更安全、更经济、更高效、更环保。第 卷第期聂肖虎油气集输管道加热炉的改造和低碳化运行图直接式加热炉工艺流程图真空相变加热炉结构工艺现场应用效果改造完成并稳定运行年后，从装置负荷、加热效率、能源消耗等方面对加热炉改造效果进行了综合评价，整体工艺数据见表。从运行情况来看，基本达到了加热炉改造的预期目标，其中，加热炉热效率从原来的 提高至目前的 ，提高了 ；排烟温度降低了；较原 加热炉，真空相变加热炉平均单耗降低了 。表加热炉改造前后关键参数对比阶段加热炉热效率，装置负荷排烟温度进炉温度出炉温度平均单耗（）改造前 改造后 石油化工设备技术 年图真空相变加热炉结构工艺和烟气流动方向原油加热效果表是加热炉改造前后稳定运行时不同位置处的参数检测结果。从表中可以看出，改造后阀室出口温度降低了，炉子出口温度降低了，说明油、水两相换热过程中的换热效率大幅提高。图是相变加热炉体系输入热量与输出热量的热量平衡图，图中是空气输入的显热，、分别为燃料气的显热和潜热，是设备输入能量对应的热量；是被加热介质取走的热量，为有效利用热量，、分别是烟气排放热损失、燃料气未完全燃烧热损失、表面散热损失和设备损失能量对应的热损失。当加热炉处于稳定运行状态时，输入的总热量与输出的总热量相等，被加热介质（油）取走的热量与输入总热量的比值为热效率。根据此方法计算，改造前、后加热炉的热效率分别是 和。第三方机构对改造后的真空相变加热炉进行了能效测试，测试结果表明，真空相变加热炉的热效率为 ，进一步验证了上述计算方法的可行性。图真空相变加热炉热量平衡通过计算发现，烟气排放热损失在加热炉各项热损失中占比最大，烟气排放温度和排放量是决定该部分损失的主要因素。这与文献【】中的研究结果相同。文献【】显示，烟气温度每升高 ，排烟损失率约增加一个百分点，热效第 卷第期聂肖虎油气集输管道加热炉的改造和低碳化运行率大约降低。由此可见，降低烟气排放温度是提高加热炉热效率的有效途径。表加热炉改造前后运行参数对比时刻：阀室进温 阀室出温前 后 阀室进压 前 后 阀室出压 前 后 炉子出温前 后 燃料消耗情况 号输油站的管线输油量为 。新型真空相变加热炉通过提高加热效率、控制空燃比，减少了燃料气用量，根据实际运行情况发现，天然气年消耗量从 万下降至 万，年节约天然气量达 万，节约用气量约。烟道余热利用新型真空相变加热炉采用半冷凝烟气余热回收技术，充分回收烟气余热，提升热效率。一方面可以利用烟道余热加热站内原油管道的伴生水，另一方面可以将加热炉进风温度由常温提升至 以上，改造后，烟道出口烟气温度从改造前的 降低至 。效益情况在真空相变加热炉密封严密、设备稳定运行、真空度保持良好的状态下（一般稳定在 左右），经测算，其炉效在 左右，较原 直接式加热炉可节约天然气 万，节约成本 万元，经济效益显著。改造前后数据对比结果显示，号输油站每年节约天然气约 万，可减少废气排放约 万，同时可减排 约 ，环保效益显著。真空相变加热炉的炉管浸没在炉膛的蒸馏水中，不与燃烧器火焰直接接触，烟管采用耐硫酸低温露点腐蚀的 钢，彻底解决了炉管结焦问题和冷凝水对炉管、烟管造成腐蚀的问题。其在微负压工况下工作，不会发生爆炸事故，即使炉管发生原油泄漏，也不会与火焰直接接触而发生燃烧，避免了次生灾害；同时，该型加热炉设有完善的控制与保护措施，抗冷凝水腐蚀能力强；且热媒介质封闭循环，不结垢、无氧腐蚀，提高了使用寿命，安全效益显著。结论 号输油站采用真空相变加热炉对三高原油的集输系统进行了低碳化改造，从多年稳定运行情况 来 看，达 到 了 预 期 目 标，即 提 高 炉 效 率，节约天然气用量，同时，减少了废气和碳的排放，具体结论如下：）真空相变加热炉通过增加潜热换热提高了换热效率，在输油量为 的三高原油加热过程 中，相 比 传 统 直 接 式 加 热 炉，炉 效 率 从 提高至，平均燃料单耗从 降低至 ，年节约用气量，节省成本 万元。）在本文所述的操作条件下，真空相变加热炉每年减少废气排放 万，同时减排二氧化碳当量（），实现了低碳减排目标。）真空相变加热炉在负压密闭环境下进行热交换，且火焰与炉管分离，不仅延长了使用寿命，而且彻底杜绝了炉管穿孔漏油、着火及爆炸事故的发生。参考文献：卢禹赫 油气集输系统能耗与能量综合利用 石油石化节能，（）：杨洪升，席励新，毛恒轩 相变换热技术在油气集输加热设 备 中 的 应 用石油工 程 建 设，（）：石油化工设备技术 年杨晓东 管式加热炉和相变加热炉在大港南部油田的适应性分析石化技术，（）：刘兴汉 油田用相变加热炉换热问题的研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，苏子悦中转站加热炉燃烧器系统控制设计及应用 大庆：东北石油大学，陈达小型自然通风式加热炉传热及热效率分析 大庆：东北石油大学，田羽辰，杜军，王博，等 稀油处理站与天然气处理站供暖及原油加热系统改造特点及效果评估中国石油石化，（）：成庆林，张学强，孟岚，等油气集输系统用能评价方法的研 究 进 展 能 源 与 环 保，（）：金涛，胡俊油气集输系统节能减排措施研究石化技术，（）：，刘德生，刘平，朱文琪，等浅谈新型加热炉研制与应用 中国设备工程，（）：王东 相变加热炉在矿场油气集输系统的低碳化应用石油石化节能，（）：刘振平 油田相变加热炉盘管换热计算方法研究油气田地面工程，（）：朱天白，王忠禹“双碳”形势下石油石化行业发展的思考 当代化工，（）：辛靖，王连英“双碳”愿景对炼化产业的影响及其路径展望 石油学报（石油加工），（）：乞孟迪，柯晓明，程一步，等 中国石油峰值与石化行业低碳转型发展石油石化绿色低碳，（）：（上接第 页）由此可见，该歧义的产生由 标准 存在以偏盖全的瑕疵所致。图二级加油站罐区布置示意图加油机布置示意 结语任何标准都有一定的时效性，随着时代发展和科技进步，编制时再先进的标准也会逐渐变得落后，直至满足不了社会的需要，定期或不定期的修订将成为必然。因此，标准本身就具有不断修订、不断完善和不断发展的特征。作为综合性技术标准，标准 只规定了加油站特有的技术要求，其内容本就应条款精炼、言简意赅、语义精准、前后贯通。而标准的施行不仅要求人们在应用中严谨认真，也要求标准管理人对标准应用中发现的问题广泛收集，分析参考。在标准的应用中，一方面，应对标准全面熟悉、正确解读、合理遵照、准确使用；另一方面，虽然加油站建设规模不大，但在设计和施工中涉及的专业较多，客观上任何人都难以做到穷其所专，因此在应用中尤其在安全检查时，应在专业能力范围内谨慎评判。同时，标准管理人应在相关条款处甄错剔误、减少矛盾并在必要处进行具体说明，消歧除疑。只有这样，才能避免误读、减少歧义，才能进一步提高国家标准的严谨性和权威性，才能使标准为设计等应用提供正确的指导。参考文献：王文明 对乡镇临街型加油站安全检查有关问题的探讨中国化工贸易，（）：，王子文，王文明加油站水封隔油装置数值模拟研究 安全、健康和环境，（）：交通运输部公路局，中文第一公路勘察设计研究院有限公司 公路工程技术标准：北京：人民交通出版社股份有限公司，北京市市政工程设计研究总院有限公司城市道路工程设计规范（年版）：北京：中国建筑工业出版社，第 卷第期聂肖虎油气集输管道加热炉的改造和低碳化运行 ，：；（.，.，）：，（，），（）：；，（.，.，；.，.，）：，；，：；（，）：，：；