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水套加热炉是油气田生产和集输过程中不可缺少的主要设备,担负着油气田产品的升温与集输系统能量供给的任务。同时它也是油气田最大的自耗燃料设备之一,其技术水平、热效率的高低直接影响油气田地面工程建设的技术水平、节能减排与经济效益。
一、影响加热炉热效率提高的主要因素
1.过剩空气系数过大。过剩空气系数的控制主要与加热炉运行的热负荷、燃烧器的性能参数及技术检测手段等有关,过剩空气系数过大,加热炉内烟气含氧量过多,排烟时过量空气将热能带走排入大气,热损失增大,热效率下降。
2.气体未完全燃烧。气体不完全燃烧热损失的大小主要取决于燃烧成分、炉膛过剩空气系数、所用燃烧器、燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否合理。,有部分加热炉存在缺氧燃烧现象,烟气中存在大量可燃气体,这一现象的存在,不仅造成了较大的气体不完全燃烧热损失,也为加热炉的安全运行、操作人员的安全生产留下了隐患。
3.负荷率低、保温状况使散热损失加大。散热损失与保温情况及散热表面积的大小、形状等有关,同时还与加热炉的额定容量和运行负荷的大小有关,在非额定工况下,散热损失与加热炉的负荷成反比。集输系统热负荷随生产情况,季节变化影响存在较大差别,加热炉长期处于低负荷状态下运行,当负荷率低于50%时,加热炉散热损失就达到设计值得2倍。另部分加热炉保温层老化、脱落现象,增大加热炉的散热损失。
4.加热炉监控计量仪表缺损严重。加热炉监控仪表不全现象普遍存在。缺少单台加热炉燃料量的计量仪表和烟温监控仪表。仪表的缺乏使加热炉的运行调节缺失了必要的依据,使加热炉的节能管理缺乏必要的手段。
二、影响加热炉热效率的因素分析
(一)影响加热炉热效率的参数分析
热效率是衡量加热炉先进性的一个重要指标,其高低关系着集输油能耗的高低。加热炉热效率可用如下表达式描述:η=(1- q1- q2- q3)×100% ;式中:η 为加热炉热效率;q1为排烟损失占加热炉总供热的比值,是排烟温度和过剩空气系数的函数;q2为不完全燃烧损失占加热炉总供热的比值;q3为散热损失占加热炉总供热的比值。
1.降低排烟温度以减少排烟热损失。排烟热损失是决定热效率高低的主要方面,其大小取决于排烟温度、过剩空气系数的高低,排烟温度越高,排出烟气的热焓值越高,带走的热量就越多;过剩空气系数越大,说明进入炉内的空气很多,大量的过剩空气随着排烟将热量从烟道排入大气,热损失增大,热效率下降;过剩空气系数过大还使燃烧温度下降,从而减小热辐射强度,增加燃料用量,导致热效率下降。加热炉排烟热损失q1可由下式计算
(ipy-apyilkυ)
q1 = ×100%
Qr
式中:ipy为1m3燃气在过量空气系数和排烟温度下排烟的焓,kJ/m3。以天燃气为例,通过详细计算,得出不同过量空气系数和排烟温度下的排烟热损失,排烟热损失随排烟温度的升高和过量空气系数的增大而增大。当排烟温度在150℃时,过量空气系数从1.1增大到1.6,排烟热损失将从6.61%增加到9.25%,过量空气系数每增加0.1,排烟热损失增加0.528%。当排烟温度在200℃时,过量空气系数从1.1增大到1.6,排烟热损失将从8.84%增加到12.36%,过量空气系数每增加0.1,排烟热损失增加0.705%。因此,在加热炉设计、调试和运行时应可能使排烟温度和过量空气系数在合理的参数下,以降低排烟热损失。
2.降低过量空气系数以减少排烟损失。加热炉在实际运行中,燃料不可能在理论空气量下完全燃烧,总要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧。对于工业设备或加热炉而言,在正常燃烧情况下的过量空气系数α为1.05~1.20。高原地区加热炉使用海拔高度在3000米左右,空气中含氧量与标准状态相比会有较大的差异。随着海拔高度的升高,空气中含氧量随之降低。由于空气中含氧量发生了变化,所以在标准状态下计算出的理论空气量值不适合高原地区。由于海拔高度为零的地面附近空气含氧量的体积百分比为20.95%,按照公式此条件时地面附近的氧气密度为:K=ρ0′/ρ0=0.1905/0.2566=0.7424,海拔高度在3000m时水套加热炉充分燃烧所需的实际空气过量系数为:α'=α/K=1.48;在实际操作中,如果过剩空气量增加,排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气,使排烟损失增加,热效率降低。由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气的,所以排烟温度越高,过剩空气带走的热量就越多,对热效率的影响也就越大。
3.降低不完全燃烧热损失。气体不完全燃烧热损失q2系指排烟中未完全燃烧或燃尽的可燃气体(如C0、H2、CH4等)所带走的热量占送入加热炉输入热量的份额。气体不完全燃烧热损失q2可用烟气成份分析按下式估算:
q2=0.11(αpy-0.06)(30.2C0+25.8H2+85.5CH4)%。在燃烧不良的情况下,此项热损失也可能很高,甚至可达10%。而且燃气不同于燃油,在燃气燃烧不良、q2很大时往往不冒黑烟,直观上很难判断燃烧是否恶化,因此运行中这项热损失不能引起足够的重视。气体不完全燃烧热损失的大小主要取决于燃烧成分、炉膛过剩空气系数、选用的燃烧器、燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否合理。气体不完全燃烧除造成热损失、降低热效率外,还造成大气污染。减少不完全燃烧损失的措施,首先是选用性能良好的燃烧器,并及时和定期进行维护,使燃烧器长期保持在良好状态下运行,以保证在正常操作范围内能完全燃烧;其次是在操作中精心调节,以保证过剩空气量既不太多,也不太少。
4.降低散热损失。散热损失是指加热炉结构范围内的管道及烟风道等,受外界大气对流冷却和向外热辐射所散失的热量。它与周围大气温度、风速度、炉体结构的保温情况和散热面积的大小及形状、加热炉的额定容量和运行负荷的大小等有关。加热炉在低负荷运行时,散热损失对加热炉热效率的影响很大,在加热炉选择和运行时,应根据负荷情况尽量避免在低负荷状况下运行。对于已经使用多年、保温已有损坏的炉子,及时修补外保温以减少散热损失、提高热效率是很有必要的。
(二)影响排烟温度高的因素分析
1.换热能力差,排烟温度高
加热炉受结构限制,炉膛内烟气换热面积偏小,烟气在炉内的停留时间短,烟气和水套内的水未能充分换热,换热量不足,对流传热效果差,导致排烟温度过高。尤其是占设备总数的70.3%,额定容量D≤0.4MW的加热炉, 在设计换热面积不足的情况下,对流受热面又采用传热系数低的光管烟管,导致换热能力差,排烟温度高。
2.水循环不畅,传热效率低
在加热炉的整个传热过程中,中间载热介质与火筒、烟管和对流换热器的传热形式为自然对流换热。贴近火筒和烟管壁面的介质温度较高,形成上升流,对流换热器附近的介质温度相对较低,形成下降流。由于加热炉筒体是一个密闭空间,筒体内上下温差小,致使水循环流场动力不足。目前油田在用加热炉筒体内换热面的布置形式存在缺陷:筒体内流场组织紊乱。这是因为上升流和下降流均是自发产生的,没有恰当的流道组织,流体之间流动不畅及加热不匀;.筒体内水循环流场上下温差较小,自然对流的动力小,加热受热面和冷却受热面之间的对流传热非常弱,传热效率低。
上述这些因素都不利于有效传热流场的形成,使加热和冷却受热面的有效利用降低,造成筒体内传热流场组织紊乱,从而使加热炉效率低、能耗高。因此,中间载热介质传热过程的形成,亦即筒体内流场的有效组织是提高加热炉效率的关键点之一。
一、影响加热炉热效率提高的主要因素
1.过剩空气系数过大。过剩空气系数的控制主要与加热炉运行的热负荷、燃烧器的性能参数及技术检测手段等有关,过剩空气系数过大,加热炉内烟气含氧量过多,排烟时过量空气将热能带走排入大气,热损失增大,热效率下降。
2.气体未完全燃烧。气体不完全燃烧热损失的大小主要取决于燃烧成分、炉膛过剩空气系数、所用燃烧器、燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否合理。,有部分加热炉存在缺氧燃烧现象,烟气中存在大量可燃气体,这一现象的存在,不仅造成了较大的气体不完全燃烧热损失,也为加热炉的安全运行、操作人员的安全生产留下了隐患。
3.负荷率低、保温状况使散热损失加大。散热损失与保温情况及散热表面积的大小、形状等有关,同时还与加热炉的额定容量和运行负荷的大小有关,在非额定工况下,散热损失与加热炉的负荷成反比。集输系统热负荷随生产情况,季节变化影响存在较大差别,加热炉长期处于低负荷状态下运行,当负荷率低于50%时,加热炉散热损失就达到设计值得2倍。另部分加热炉保温层老化、脱落现象,增大加热炉的散热损失。
4.加热炉监控计量仪表缺损严重。加热炉监控仪表不全现象普遍存在。缺少单台加热炉燃料量的计量仪表和烟温监控仪表。仪表的缺乏使加热炉的运行调节缺失了必要的依据,使加热炉的节能管理缺乏必要的手段。
二、影响加热炉热效率的因素分析
(一)影响加热炉热效率的参数分析
热效率是衡量加热炉先进性的一个重要指标,其高低关系着集输油能耗的高低。加热炉热效率可用如下表达式描述:η=(1- q1- q2- q3)×100% ;式中:η 为加热炉热效率;q1为排烟损失占加热炉总供热的比值,是排烟温度和过剩空气系数的函数;q2为不完全燃烧损失占加热炉总供热的比值;q3为散热损失占加热炉总供热的比值。
1.降低排烟温度以减少排烟热损失。排烟热损失是决定热效率高低的主要方面,其大小取决于排烟温度、过剩空气系数的高低,排烟温度越高,排出烟气的热焓值越高,带走的热量就越多;过剩空气系数越大,说明进入炉内的空气很多,大量的过剩空气随着排烟将热量从烟道排入大气,热损失增大,热效率下降;过剩空气系数过大还使燃烧温度下降,从而减小热辐射强度,增加燃料用量,导致热效率下降。加热炉排烟热损失q1可由下式计算
(ipy-apyilkυ)
q1 = ×100%
Qr
式中:ipy为1m3燃气在过量空气系数和排烟温度下排烟的焓,kJ/m3。以天燃气为例,通过详细计算,得出不同过量空气系数和排烟温度下的排烟热损失,排烟热损失随排烟温度的升高和过量空气系数的增大而增大。当排烟温度在150℃时,过量空气系数从1.1增大到1.6,排烟热损失将从6.61%增加到9.25%,过量空气系数每增加0.1,排烟热损失增加0.528%。当排烟温度在200℃时,过量空气系数从1.1增大到1.6,排烟热损失将从8.84%增加到12.36%,过量空气系数每增加0.1,排烟热损失增加0.705%。因此,在加热炉设计、调试和运行时应可能使排烟温度和过量空气系数在合理的参数下,以降低排烟热损失。
2.降低过量空气系数以减少排烟损失。加热炉在实际运行中,燃料不可能在理论空气量下完全燃烧,总要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧。对于工业设备或加热炉而言,在正常燃烧情况下的过量空气系数α为1.05~1.20。高原地区加热炉使用海拔高度在3000米左右,空气中含氧量与标准状态相比会有较大的差异。随着海拔高度的升高,空气中含氧量随之降低。由于空气中含氧量发生了变化,所以在标准状态下计算出的理论空气量值不适合高原地区。由于海拔高度为零的地面附近空气含氧量的体积百分比为20.95%,按照公式此条件时地面附近的氧气密度为:K=ρ0′/ρ0=0.1905/0.2566=0.7424,海拔高度在3000m时水套加热炉充分燃烧所需的实际空气过量系数为:α'=α/K=1.48;在实际操作中,如果过剩空气量增加,排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气,使排烟损失增加,热效率降低。由于过剩的空气是在排烟温度下排入大气的,所以排烟温度越高,过剩空气带走的热量就越多,对热效率的影响也就越大。
3.降低不完全燃烧热损失。气体不完全燃烧热损失q2系指排烟中未完全燃烧或燃尽的可燃气体(如C0、H2、CH4等)所带走的热量占送入加热炉输入热量的份额。气体不完全燃烧热损失q2可用烟气成份分析按下式估算:
q2=0.11(αpy-0.06)(30.2C0+25.8H2+85.5CH4)%。在燃烧不良的情况下,此项热损失也可能很高,甚至可达10%。而且燃气不同于燃油,在燃气燃烧不良、q2很大时往往不冒黑烟,直观上很难判断燃烧是否恶化,因此运行中这项热损失不能引起足够的重视。气体不完全燃烧热损失的大小主要取决于燃烧成分、炉膛过剩空气系数、选用的燃烧器、燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否合理。气体不完全燃烧除造成热损失、降低热效率外,还造成大气污染。减少不完全燃烧损失的措施,首先是选用性能良好的燃烧器,并及时和定期进行维护,使燃烧器长期保持在良好状态下运行,以保证在正常操作范围内能完全燃烧;其次是在操作中精心调节,以保证过剩空气量既不太多,也不太少。
4.降低散热损失。散热损失是指加热炉结构范围内的管道及烟风道等,受外界大气对流冷却和向外热辐射所散失的热量。它与周围大气温度、风速度、炉体结构的保温情况和散热面积的大小及形状、加热炉的额定容量和运行负荷的大小等有关。加热炉在低负荷运行时,散热损失对加热炉热效率的影响很大,在加热炉选择和运行时,应根据负荷情况尽量避免在低负荷状况下运行。对于已经使用多年、保温已有损坏的炉子,及时修补外保温以减少散热损失、提高热效率是很有必要的。
(二)影响排烟温度高的因素分析
1.换热能力差,排烟温度高
加热炉受结构限制,炉膛内烟气换热面积偏小,烟气在炉内的停留时间短,烟气和水套内的水未能充分换热,换热量不足,对流传热效果差,导致排烟温度过高。尤其是占设备总数的70.3%,额定容量D≤0.4MW的加热炉, 在设计换热面积不足的情况下,对流受热面又采用传热系数低的光管烟管,导致换热能力差,排烟温度高。
2.水循环不畅,传热效率低
在加热炉的整个传热过程中,中间载热介质与火筒、烟管和对流换热器的传热形式为自然对流换热。贴近火筒和烟管壁面的介质温度较高,形成上升流,对流换热器附近的介质温度相对较低,形成下降流。由于加热炉筒体是一个密闭空间,筒体内上下温差小,致使水循环流场动力不足。目前油田在用加热炉筒体内换热面的布置形式存在缺陷:筒体内流场组织紊乱。这是因为上升流和下降流均是自发产生的,没有恰当的流道组织,流体之间流动不畅及加热不匀;.筒体内水循环流场上下温差较小,自然对流的动力小,加热受热面和冷却受热面之间的对流传热非常弱,传热效率低。
上述这些因素都不利于有效传热流场的形成,使加热和冷却受热面的有效利用降低,造成筒体内传热流场组织紊乱,从而使加热炉效率低、能耗高。因此,中间载热介质传热过程的形成,亦即筒体内流场的有效组织是提高加热炉效率的关键点之一。