油田加熱爐節能技術應用效果評價研究

陳立達，楊光，宋晶

中國石油遼河油田分公司安全環保技術監督中心（遼寧盤錦 124010）

油田各生產環節用熱負荷大、加熱爐數量多，能源消耗量巨大。但由于工作環境惡劣、運行負荷多變，以及運行時間長、設備老化、自動化水平低等原因，加熱爐熱效率普遍偏低[1]。針對該問題，油田采用節能技術來提高能效，主要包括節能燃燒器技術、新型保溫技術、加熱爐清洗除垢技術及余熱利用技術等[2]。目前，加熱爐的節能評價以GB/T 24848—2010《石油工業用加熱爐能效限定值及能效等級》中的二級能效為標準，但其對各節能技術尚無單獨的熱效率指標限值，無法獲取節能技術對加熱爐熱效率提升的具體貢獻率[3]。且加熱爐使用一段時間后，現有工況、運行條件與之前存在差異，測得的熱效率值也發生變化。因此，結合油田加熱爐使用情況，以常見的額定功率為0.4 MW的管式加熱爐為研究對象，運用FLUENT與HYSYS軟件進行數值模擬分析，確定加熱爐常用的節能技術對熱效率的貢獻程度，為油田加熱爐在應用節能技術時選用更高效的措施提供理論依據。

1 非節能型燃燒器能效數值模擬

基于非節能型加熱爐的基本結構[4]，應用FLU?ENT 軟件建立加熱爐火筒的三維模型[5]，并選用標準k-? 湍流模型、物質輸送和有限速率化學反應燃燒模型、離散坐標輻射模型、污染物形成模型對火筒三維空間內的天然氣燃燒進行數值模擬[6]，定量分析燃料氣與空氣的速度比，以及燃料氣用量的最優數值[7]，為下一步節能技術研究提供數值計算的基礎數據。

模擬對比中分別選取速度比2.0、2.5、3.5、4.5，和燃料用量120、140、160、180、200、220、240 m3/h。通過分析兩組參數對溫度場、CO2濃度場、O2濃度場和流場的影響，得出燃料氣與空氣的速度比為3.5、燃料用量為200 m3/h時，湍流混合速度可有效提高，形成低氧燃燒環境，利于火筒內溫度均勻分布，提高加熱爐運行效率，同時能降低出口及附近壁面溫度，降低燒穿事故發生率，保證加熱爐的安全穩定運行。

2 節能型燃燒器能效數值模擬

為提高傳統非節能型加熱爐的加熱效率，利用加熱爐提效技術，主要從加強傳熱和換熱出發，改變加熱爐的幾何結構以增強燃燒效果和增大換熱面積[8]。

2.1 新型燃燒器燃料噴管角度

改變燃料進口噴嘴結構，強化燃燒[9]。改變傳統的直管燃料進口，增大出口張角，加強燃料與空氣的湍流混合，提高火筒整體壁面平均溫度[10]?；谕牧魅紵碚?，應用FLUENT 軟件對噴管張口角度為30°和60°進行數值模擬，以分析強化燃燒后對加熱效率的改變程度[11]。圖1 是噴管張口角度為30°的情況。

圖1 加熱爐燃燒器噴管角度30°示意圖

利用前面對普通加熱爐模擬得到的最佳入口燃料流量200 m3/h、空氣和燃料氣速度比3.5，將其代入邊界條件進行模擬[12]。從模擬云圖可以看出，改變燃料氣噴管進口角度可提高燃燒效率，在相同換熱面積的基礎上，隨著角度的增加，火筒的最高壁面溫度和平均壁面溫度都有所提升，但整體的提升程度不大，溫度分布見圖2。其中普通加熱爐的壁面平均溫度為1 361.2 ℃，噴管開口角度為30°和60°的加熱爐其壁面平均溫度分別為1 379.8℃和1 386.6℃。對于相同的傳熱面積，加熱效率提升程度不大。

圖2 火管和煙管內壁面溫度分布云圖

2.2 新型燃燒器列管式煙管

在改變進口噴嘴結構的基礎上改變煙管的換熱面積，加強換熱[13]。將傳統的煙管幾何結構改為列管式分布，采用26 根直徑為90 mm 的煙管，左右各13 根，分3 層遞進排列，如圖3 所示。應用FLU?ENT 軟件對新型加熱爐火管進行模擬，以分析新型加熱爐的加熱效率。

圖3 加熱爐燃燒器火筒結構示意圖

從模擬結果看，加熱爐采用列管式煙管換熱面積增加到53.26 m2，與傳統加熱爐換熱面積31.93 m2相比，近乎增加一倍，大大提升了加熱效率。此結構的加熱爐能有效降低排煙溫度，提高燃燒效率，并且利于溫度均勻分布，形成低氧燃燒環境，減少污染物排放。另外由于列管直徑較小，內部流場流速最高可達42 m/s，對管壁沖刷效果好，不易結垢。

3 加熱爐節能技術貢獻程度

3.1 節能評價指標

對各種結構的加熱爐性能進行評價，需進一步對熱效率進行量化分析。根據GB/T 31453—2015《油田生產系統節能監測規范》，進口煙氣溫度取壁面平均溫度，出口煙氣溫度取180 ℃，得到4種類型加熱爐的參數見表1。

表1 4種類型加熱爐的參數

已知原油的平均相對分子質量為300，標準密度為783.4 kg/m3，通過HYSYS 對原油進行組分切割，得到原油組分。以此為基礎，利用HYSYS 軟件建立煙管換熱模型[14]，當加熱爐煙管溫度從壁面平均溫度換熱到180 ℃時，可以計算得到原油量。對4種加熱爐分別進行換熱模擬[15]，結果匯總見表2。

表2 換熱模擬結果

將設計基本參數及模擬得到的數據帶入熱效率和熱負荷的計算公式，可得到4 種類型加熱爐的性能綜合評價表[16]，具體數據見表3。

根據表3可知，4種類型的加熱爐中前3種加熱爐的熱效率基本相同，在72%左右，煙管采用列管式的加熱爐熱效率最高為90.59%，并且其熱負荷最大。說明通過改變加熱爐列管數，增大換熱面積能更高效地提高加熱爐熱效率，增大加熱爐熱負荷。

表3 4種類型加熱爐的性能綜合評價

3.2 余熱回收

熱效率是衡量加熱爐先進性的一個重要指標，提高加熱爐熱效率即意味著節約燃料、降低裝置能耗?；厥諢煔庵械挠酂?、降低排煙溫度是提高加熱爐熱效率、減少燃料耗量最重要的集成技術[17]。加熱爐火管出來的尾氣溫度高達180 ℃，其中攜帶著大量的熱能，需要對該熱量進行回收利用，通過HY?SYS軟件建立尾氣余熱回收模型[18]。

3.3 節能貢獻程度分析

為提高傳統非節能型加熱爐的加熱效率，從改變燃料噴嘴進口角度（30°和60°）、改變煙管換熱面積以及回收尾氣來降低能耗。通過分析以上3種節能加熱爐與普通加熱爐的熱負荷，得到改進后的節能量并定量分析它們所占百分比，進而了解管式加熱爐節能技術的節能貢獻程度，具體情況見表4。

從表4 可以看出，改造煙管帶來的節能貢獻率超過其余2 種措施之和，強化換熱是比強化燃燒和余熱回收更有力的節能技術。

表4 加熱爐節能技術的貢獻程度

4 結論

1）以0.4 MW的管式加熱爐為研究對象，定量分析了加熱爐節能技術的節能貢獻程度，改變燃料噴嘴進口角度（30°和60°）、改變煙管換熱面積以及回收尾氣都能降低加熱爐能耗，其中增大煙管換熱面積對節能貢獻程度最大，貢獻率達到63.38%。

2）定量分析管式加熱爐各節能技術貢獻率的方法仍適用于其他類型加熱爐（水套爐、火筒爐、相變爐），并能為其他節能措施量化應用效果，為各油田節能技術的應用與效果評價提供理論依據。