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石油石化节能 https:/薄壹文：降低联合站掺水炉排烟损失方法研究与实践 第 13卷第 8期（2023-08）随着油田开发不断深入，一些加热炉运行参数未随负荷参数变化而变化，导致加热炉低效运行、能耗偏高。X作业区现有加热炉近 20台，在用加热炉使用年限在 5 a 以下的约占总数的 1/3。截至目前，共对 X 作业区常用加热炉的炉效进行了三次季度的检测和一次节能监测，测试结果显示 B#掺水炉的 平 均 炉 效 为 所 有 测 试 结 果 中 的 最 低，仅 为81.87%。由于其运行年限较短仅 1 a，因此找出影响其低效运行的原因并调整相应的运行参数是工作的重点。随即展开了试验和数据分析，最终制定出了提高其运行效率的生产制度。1工作原理A 联合站 B#掺水炉为一体式真空相变加热炉，容量为 1.6 MW，其工作原理是：燃烧产生的热量使得炉体内的水沸腾汽化，水蒸气与盘管接触加热盘管内的生产介质，水蒸气接触盘管冷凝成液体再次在炉体内被加热，由水变成水蒸气，再由水蒸气降低联合站掺水炉排烟损失方法研究与实践薄壹文（大庆油田有限责任公司第九采油厂）摘要：X作业区 A联合站 B#掺水炉长期低效运行，为了提高 B#掺水炉的运行效率，专门对其运行的数据进行分析和试验。从测试数据中发现第二、第三季度排烟温度超标是导致其低效运行的原因。于是对可能影响其运行效率的原因进行排查，根据排查结果最终找到一种可以提高运行效率的方案，并将此方案应用到实际生产中。预计全年平均运行效率提高 1.13%，年节约耗气3.15104Nm3，为 X 作业区节省生产成本约 5.17 万元。作业区现仍有十余台加热炉需要进行节能改造，所以提高剩余加热炉的运行效率，将作为下一步工作的重点。关键词：联合站；掺水炉；低效运行；提高运行效率；节约耗气DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2023.08.015Research and practice on smoke exhaust loss methods for reducing water blendingfurnace in combined stationBO YiwenNo9 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co，LtdAbstract：The B#water blending furnace of A combined station in X work area has been operatingwith low efficiency for a long timeIn order to improve the operating efficiency of B#water blendingfurnace，the data from its operation is specially analyzed and tested analysisBy analyzing its test data，it is found that the reason for the operation with low efficiency was the excessive smoke exhaust temper-ature in the 2nd and 3rd quartersHence，an investigation was conducted on factors that may affect itsoperating efficiencyBased on the investigation results，the solution that can improve operating effi-ciency is found eventual，and it is applied in actual productionIt is expected that the annual averageoperating efficiency will be increased by 1.13%，saving 3.15 104Nm3of gas consumption，whichsaves approximately 51 700 yuan in production costs for X work area Due to the fact that morethan 10 heating furnaces require to be transformed for energy conservation in this work area，improv-ing the operating efficiency of the remaining heating furnaces will be focus of the next step Keywords：combined station；water blending furnace；operation with low efficiency；improve oper-ating efficiency；save on gas consumption作者简介：薄壹文，2014年毕业于黑龙江八一农垦大学（电气工程及其自动化），从事节能技术（电）、地面工程、加热炉燃烧效率、低温集输等工作，18745953242，黑龙江省大庆市第九采油厂，163000。引文：薄壹文降低联合站掺水炉排烟损失方法研究与实践J石油石化节能，2023，13（8）：70-74.BO YiwenResearch and practice on smoke exhaust loss methods for reducing water blending furnace in combined stationJEnergy Conservation in Petroleum&PetroChemical Industry，2023，13（8）：70-74.70管理实践/Management&Practice石油石化节能 https:/变成水的相变过程中产生热交换，使得生产介质被加热1-2。B#掺水炉结构见图 1。图 1B#掺水炉结构示意图Fig.1 Structural diagram of B#water blending furnace2热效率测试结果及原因分析2.1测试结果根据标准 SY/T 63812016 石油工业用加热炉热工测定，可利用反平衡法计算加热炉的热效率，其计算公式为：=1-()q1+q2+q3+q4+q5（1）式中：q1为排烟热损失，%；q2为气体未完全燃烧热损失，%；q3为固体未完全燃烧热损失，%；q4为散热损失，%；q5为灰渣物理热损失，%。由于此加热炉为燃气加热炉，故不计算q3、q5的值。q1的计算公式为：q1=Kq4 B hpy-hlkQr 100（2）式中：Kq4为固体燃料修正系数（由于加热炉以天然气为燃料，故Kq4=1）；B为燃料消耗量，Nm3/h；hpy为排烟处烟气焓，kJ/kg；hlk为入炉冷空气焓，kJ/kg；Qr为供给热量，kJ/h。q2=Vgy Kq4 B()126.36CO+107.98H2+385.18CmHnQr（3）式 中：Vgy为 排 烟 处 干 烟 气 容 积，m3/kg；CO、H2、CmHn为排烟处各气体的含量，%。q4的值由加热炉的运行负荷确定：当加热炉运行负荷不低于额定容量的 75%时，加热炉散热损失可通过查表确定；当加热炉运行负荷在 30%75%时，q4=q4 3 600 000QeQ（4）式 中：q4为 加 热 炉 额 定 散 热 损 失（查 表 确定），%；Qe为加热炉额定热功率，MW；Q为加热炉运行负荷，MW。当 加 热 炉 运 行 负 荷 不 高 于 额 定 容 量 的30%时，q4=q40.3（5）根据以上公式，利用反平衡法计算 A 联合站 B#掺水炉效率测试结果见表 1。四次测试结果显示其平均热效率仅为 81.87%，下面将通过分析找出其低效运行的原因。2.2原因分析根据加热炉热效率的定义及原因分析，结合当前生产需求，总结出以下 4种方法提高加热炉的热效率。通过对比，找出提效的最佳方法用在加热炉上。1）降低加热炉排烟处的过剩空气系数。通常情 况 下，通 过 调 整 燃 烧 将 过 剩 空 气 系 数 控 制 在1.31.5范围内时，加热炉的热效率最高。过剩空气系数与加热炉热负荷有关，当加热炉热负荷进行变化时，燃料的需求量也会随之变化，同时燃烧所需要的空气也需要进行调整；当风量调节不当时，会使加热炉内的空气增多，进而影响加热炉内过剩空气系数。过剩空气系数越高，烟气中被带走的热量就越多，使得排烟热损失增大，最终导致加热炉的热效率降低3-4。因此，在实际生产中，要及时调整燃烧器配风，使空气和燃料的比例达到最佳。经过测量，发现此加热炉的空气系数平均为1.47，正 好 落 在 加 热 炉 高 效 运 行 的 区 间 内（1.31.5），其值也没有很大下降空间，所以这种方法不可行。表 12022年 A联合站 B#掺水炉效率测试结果Tab.1 Test results of B#water blending furnace efficiency of A combined station in 2022测试类型自测节能监测自测自测平均值测试日期2022年 2月2022年 6月2022年 7月2022年 11月进出口温差/23.918.719.432.123.5介质流量/(m3h-1)30.326.223.131.227.7热负荷率/%52.6435.6132.5751.0342.96空气系数1.531.401.431.521.47入炉空气温度/-20.232.637.7-17.5排烟温度/194.5221.9218.7189.6206.2排烟热损失/%12.4810.099.8311.9011.07未完全燃烧热损失/%00000散热损失/%5.518.148.905.687.06加热炉效率/%82.0181.7781.2682.4281.8771石油石化节能 https:/薄壹文：降低联合站掺水炉排烟损失方法研究与实践 第 13卷第 8期（2023-08）2）降低排烟温度。在加热炉实际运行过程中，排烟是造成热量损失的主要途径。当加热炉热效率较高时，排烟热损失占总热损失的 40%80%；当加热炉热效率较低时，排烟热损失在总热损失中占比高达 90%以上。由此可知，提高其热效率，关键在于降低排烟温度。通过测试，加热炉在第一、四季度运行时，其排烟温度为合格水平，在第二、三季度运行时，其排烟温度均超过 200，据 GB/T 314532015 油田生产系统节能监测规范 可知 A 联合站 B#掺水炉排烟温度应不超过 200。从上述炉效率测试结果可以看出，B#掺水炉第二、第三季度排烟温度均超规定范围，为不合格水平，X 作业区其他相同容量的加热炉的排烟温度平均值为 172.3，所以这台加热炉在第二、三季度运行时的排烟温度有较大下降空间，至少可以降低 20，由加热炉反平衡效率公式可知，加热炉温度每降低 20，其效率可以提升 1.5%。结合表 1可以看出，散热损失平均为7.06%，排烟热损失平均为 11.07%，其占各项损失比例的 61.06%，降低排烟温度能有效提升加热炉运行效率。3）增加加热炉的热负荷。在加热炉运行过程中，热负荷率在 75%以上时，加热炉热效率最高。以 B#掺水炉为例，如果其热负荷率达到 75%以上，散热损失即为额定散热损失 2.9%，如果其热负荷率小于 75%，散热损失则大于 2.9%。根据 X 作业区实际生产情况，A 联合站掺水加热炉运 2 备 1，只有一根来水管线，清水经过掺水泵加压，再分别进入 2 台加热炉进行加热，2 台加热炉进水管管径相同，所以进水量也基本相同，无法通过阀门开度精确控制 2台加热炉的进水量，且B#掺水炉的负荷率常年低于 75%，所以暂时无法提高 B#掺水炉的热负荷率，结合表 1可以看出，热负荷率对加热炉效率的影响不是很大，仅占各项损失的 35%左右，所以这种方法也非最佳方案。4）最大限度降低炉体的散热损失。降低加热炉炉体的散热损失主要是降低加热炉外壁的温度，从而提高加热炉的热效率。一般情况下，加热炉制造企业为降低生产成本，在进行加热炉制造时会降低隔热材料的投入，选择低廉的燃料，使得加热炉热量损失严重，不利于提高加热炉的运行效率5-6。因此企业在生产中若发现加热炉炉体温度过高时，应停炉检修，联系加热炉生产厂家更换隔热材料。此加热炉为 2021 年末新投产的加热炉，且各次测试中也未发现炉体温度过高现象，所以其炉效低也并非炉体散热损失大造成。综上所述，降低排烟温度能有效提高加热炉热效率，作为研究的重点，下面将找出此加热炉第二、第三季度排烟温度高的原因，并给出合理的解决方案。主要从人为操作因素、设备因素、工况因素 3个方面去逐一排查。1）人为操作因素。加热炉涉及人为操作因素的只有炉体内液位高度，随即我们对炉体内液位进行检查，检查结果显示液位计指针在 68 mm 处，在说明书上规定的 5080 mm 范围内，所以可以排除人为操作因素的影响。2）设备因素。主要是指设备本身对加热炉的影响。主要检查了燃烧器、风机和盘管。燃烧器的 投 产 时 间 较 短，无 老 化 现 象，其 功 率 在1 100 kW 档位；风机运转时声音浑厚，说明无漏气现象；盘管于 2022年 5月进行过清垢作业，不存在结垢严重的现象。由于设备正在运转，无法打开炉体对盘管回程数进行检查，因此无法判断是否是因为盘管回程数过少导致炉体内被加热介质换热不完全引起的排烟温度过高7-8。3）工况因素。主要是指燃料是否含有杂质、加热炉进口清水的压力和流量是否超出加热炉所能承受的极限值以及此加热炉和其他加热炉之间是否有抢水现象。从燃料管线出口处取样送第三方检测机 构 检 测，发 现 燃 料 中 不 含 杂 质 及 H2S 等 有 毒气体。根据加热炉说明书规定，清水流量不得超过140 m3/h，压力不得超过 2.5 MPa，而单台加热炉进水量小于 40 m3/h，掺水压力为 2.00.3 MPa，所以压力和流量未超出加热炉所能承受的极限值；利用便携式流量计分别测量了当时正在运行的 2台加热炉的进水口流量，除去流量计2%的测量误差，2台炉的进水流量几乎相同，所以 B#掺水炉也不存在与其他加热炉抢水的现象。通过对以上 3 种可能对加热炉炉效造成影响的因素进行逐一排查，除盘管回程数无法检查以外，其他因素均可排除。3现场试验3.1降低掺水压力其主要原理是在不改变燃烧器功率的情况下，降低盘管中液体的压力，从而降低液体的流速，使其单位时间内吸收的热量增加，加快加热炉炉体内72管理实践/Management&Practice石油石化节能 https:/气相与液相的循环速度，从而降低排烟温度提高加热炉效率9-10。管路中液体流量、压力、流速关系式为：Q=PgSL（6）V=CPRgL（7）式中：Q为液体流量，m3/s；V为液体流速，m/s；C为管道的谢才系数，m1/2/s；L为管道长度，m；P为管道两端的压力差，MPa；R为管道的水力半径，m；为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；S为管道的摩阻，MPa。根据式（6）、式（7）可以看出，管路中液体的流速与压力成正比，液体压力越高，流速越快，流量也越大。按照以上思路，在 2023 年 4 月 5 日进行了试验，此次试验进行了大约 1 h，由于 X 作业区掺水管线较长，为了避免原油凝固造成回油管线堵塞，只能将掺水压力降至 1.70 MPa左右。最终通过调整掺水泵出口压力，使掺水压力由原先的 2.00 MPa降至 1.67 MPa。降压试验数据见表 2。表 2降压试验数据Tab.2 Pressure drop test data对比降压前降压后掺水压力/MPa2.001.67测试时间15:3016:26进出口温差/16.017.4流量/(m3h-1)24.823.5流速/(ms-1)3.513.32排烟温度/213.1212.6根据水吸热公式：Q=cm()t2-t1（8）式中：Q为水升温时吸收的热量，J；c为水的比热容，J/kg；m为水的质量，kg；t2为出口水温，；t1为进口水温，。通过计算得知，降低掺水压力后，吸收的热量是降压前的 1.03倍，说明试验是成功的，但是排烟温度仅下降了 0.5，加热炉的热效率也没有显著提高，所以通过降低掺水压力使排烟温度降低的方法不可行。3.2降低燃烧器功率其主要原理是在液体需要吸收的热量不变时，减少供给热量，从而降低排烟温度，提高加热炉效率。这 种 方 法 利 用 了 第 二、第 三 季 度（春、夏季），根据掺水炉进口水温高，掺水温度低，掺水量小的特点，使加热炉运行达到节能降耗的目的。目前，燃烧器的功率设在 1 100 kW 档位，通过换算，燃烧器每小时可提供 396104kJ的热量，盘管 换 热 效 率 大 约 为 90%，加 热 炉 热 效 率 大 约 为85%，所以盘管中液体每小时能吸收的热量最高为303104kJ。以 100 kW 为一个变化单位，分别计算出燃烧器在不同档位的功率下盘管中液体所需要吸收的热量，以此来判断该档位功率下的燃烧器功率是否能满足生产需要，通过计算，得出档位调至800 kW 时，此时盘管中液体每小时吸收的热量最高为 220104kJ，满足生产需要。A 站 B#掺水炉在不同季节下运行所需热量见表3，通过计算得知，在第二、第三季度调低燃烧器功率至 800 kW 可以保证生产正常运行，2023 年4 月 56 日连续 2 d 对此加热炉进行测试，降低燃烧器功率试验测试结果见表 4。表 3A站 B#掺水炉在不同季节下运行所需热量Tab.3 Heat requirement for the operation of B#water blendingfurnace at station A under different seasons测试时间第一季度第二季度第三季度第四季度平均进口温度/37.342.343.637.5平均掺水温度/60.760.559.960.4平均掺水量/(m3h-1)30.625.225.531.1所需热量/104kJ299192174301从表 4 可以看出，这 2 次监测的平均效率相比2022年同季度监测结果提高了 2.51%，耗气量从本季 度 的 平 均 值 1 919.8 Nm3降 至 1 693.2 Nm3和1 711.3 Nm3，经计算，通过降低燃烧器功率，第二季度每天至少可以节约 200 Nm3天然气。根据第三季度生产情况，进出口温差平均为16.3，掺水量平均为 25.5 m3/h，热负荷率降至30.21%，从气象台查询到往年第三季度平均气温为表 4降低燃烧器功率试验测试结果Tab.4 Test results of reducing burner power test测试类型自测自测平均值测试日期2023-04-052023-04-06进出口温差/19.119.319.2介质流量/(m3h-1)27.126.326.7热负荷率/%37.6236.9037.26空气系数1.391.431.41入炉空气温度/17.516.8排烟温度/170.2172.4171.3排烟热损失/%8.017.877.94未完全燃烧热损失/%000散热损失/%7.717.867.79加热炉效率/%84.2884.2784.2873石油石化节能 https:/薄壹文：降低联合站掺水炉排烟损失方法研究与实践 第 13卷第 8期（2023-08）21.8，通过与加热炉生产厂家咨询，此工况下加热炉排烟温度预计升高 10.0，根据以上数据，预估了使用 800 kW 档位时加热炉的热效率，第三季度加热炉效率数据见表 5。根 据 加 热 炉 热 效 率 反 算，日 耗 气 量 约 为1 500.0 Nm3，同往年第三季度日均耗气 1 675.9 Nm3相比，每天至少可以节约耗气 150 Nm3。4结论1）截至目前，B#加热炉已经稳定运行近一个月，其他相关生产系统也正常稳定运行；在第一、四季度，加热炉排烟温度不超标，平均炉效高于2022年第二、第三季度的测试结果，因此确定了 A联合站 B#掺水炉的运行制度：第一、第四季度采用燃烧器 1 100 kW 档位运行，第二、第三季度采用燃烧器 800 kW 档位运行。2）加热炉在第二、三季度的排烟温度至少可降低 20，低于标准上限 200 的值，平均炉效至少可同比提高1.5%，每年节约耗气3.15104Nm3，按油田内部天然气结算价格 1.64 元/Nm3，可至少为 X作业区节约生产成本 5.17万元。此加热炉全年平均效率预计提高至 83.00%，相比 2022 年测试结果提高 1.13%。3）通过对比国内其他同类研究成果，加热炉排烟温度每降低 20，炉效将提高至少 1%，届时将根据每台加热炉的运行特点，引入远红外耐高温辐射涂料技术或余热回收技术为 X 作业区其他加热炉“降温”提效。参考文献：1 国家能源局石油工业用加热炉热工测定：SY/T 63812008S北京：石油工业出版社，2016：1-12National Energy Administration Thermal measurement ofheating furnace for petroleum industry：SY/T 63812008SBejing：Petroleum Industry Press，2016：1-122 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会油田生产系统节能监测规范：GB/T314532015S北京：中国标准出版社，2016：4-5General Administration of Quality Supervision，Inspectionand Quarantine of the People s Republic of China，Stan-dardization Administration of China Monitoring and testingcode for energy conservation of oilfield production system：GB/T 314532015S Beijing：Standards Press of China，2016：4-53 杨世铭，陶文铨传热学M第四版北京：高等教育出版社，2006：200-217YANG Shiming，TAO WenquanHeat transferMThe 4thEditionBeijing：HigherEducationPress，2006：200-2174 沈维道，童钧耕工程热力学M第四版北京：高等教育出版社，2007：124-128SHEN Weidao，TONG Jungeng Engineering Thermody-namicsM The 4th Edition Beijing：Higher EducationPress，2007：124-1285 李青天然气就检验对于加热炉节能监测的影响及对策措施J石油石化节能，2022（8）：7-10LI Qing Influence and and countermeasures of natural gasinspection on energy conservation of heating furnaceJEn-ergy Conservation in Petroleum&PetroChemical Industry，2022（8）：7-106 王金安提升真空相变加热炉热效率的措施J设备管理与维修，2020（18）：108-109WANG Jin an Improve the measures of the thermal effi-ciency of vacuum phase change heating furnaceJ PlantMaintenance Engineering，2020（18）：108-1097 马建国油田加热炉节能监测与评价方法M北京：石油工业出版社，2016：142-169MA JianguoEnergy conservation monitoring and evaluationmethod of oilfield heating furnaceM Beijing：PetroleumIndustry Press，2016：142-1698 宫立明气田加热炉节能提效技术研究J石油石化节能，2022（8）：52-55GONG Liming Research on energy conservation and effi-ciency improving technology of gas field heating furnaceJEnergy Conservation in Petroleum&PetroChemical Indus-try，2022（8）：52-559 张朋轩油田加热炉节能增效技术研究J石化技术，2021，28（6）：78-79ZHANG PengxuanResearch on energy conservation and ef-ficiency technology of oilfield heating furnaceJPetrochem-ical Industry Technology，2021，28（6）：78-7910 吕松禹油田加热炉烧损原因及治理措施J化学工程与装备，2021（1）：111，119LYU Songyu Burning loss causes and treatment measuresof oilfield heating furnaceJ Chemical Engineering&Equipment，2021（1）：111，119收稿日期2023-03-19（编辑冷静）表 5预估第三季度加热炉效率数据Tab.5 Estimate heating furnace efficiency for the third quarter测试类型预估进出口温差/16.3介质流量/(m3h-1)25.5热负荷率/%30.21空气系数1.38入炉空气温度/21.8排烟温度/180.2排烟热损失/%8.33未完全燃烧热损失/%0散热损失/%9.60加热炉效率/%82.0774