井口天然气加热炉热效率低的影响因素研究

[摘 要]加热炉是天然气开采时的重要设备，因在平时的使用过程中缺乏控制，致使我国井口加热炉热效率低。本文对影响加热炉热效率的因素进行了分析，发现过量空气系数偏大是导致热效率低的主要原因。理论计算表明，随着过量空气系数增加，火筒内烟气辐射传热减弱、烟管内烟气对流传热增强，但是总传热降低。为了保证加热炉热负荷，加热炉必须多消耗燃料。因而，运行人员要时刻关注加热炉的过量空气系数，调节风门使其在合理范围内，从而保证加热炉高效运行。

[关键词]加热炉 过量空气系数 热效率

中图分类号：TN984 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）43-0329-02

1.前言

加热炉是油气田勘探、生产以及油气集输过程中的重要设备。它是将燃料燃烧产生的热量传递给被加热介质，如原油、天然气等。从而使被加热介质达到工艺所需的温度，以便于进行油气的分离、初加工、脱水及输送等操作[1]。与管式加热炉相比，火筒式加热炉因不易结垢、结构简单、安全性高，成为井口加热炉的主要型式[2]。国内加热炉单台热负荷小，缺乏自动控制系统，多数情况下仍采用手工操作，使得热效率偏低，平均效率只有70-80%左右[2]，远低于国外加热炉的水平（90%）[3]。更为严重的是，目前加热炉低的热效率的现状还未引起现场人员的重视，这是因为运行和管理人员对影响加热炉热效率的因素不十分清楚和了解。因此，有必要对此开展研究，找到主要的影响因素，然后针对性的采取措施。

2.加热炉热效率低的影响因素研究

2.1 热效率影响因素分析

加热炉的热效率表示的是，加热炉的有效利用热量与送入加热炉的热量的比值。它可由反平衡方程获得，即

式中，为热效率，%；为排烟热损失，%；为化学不完全燃烧热损失，%；为机械不完全燃烧热损失，%；为灰渣物理显热热损失，%。加热炉一般以天然气为燃料，所以化学不完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损失、灰渣物理热损失都很小，可以忽略不计。对于所有锅炉而言，散热损失也不大，一般在1-3%左右，因此该项不是主要热损失。由此可见，加热炉热效率的主要影响项是排烟热损失。

2.2 加热炉结构设计

为研究排烟热损失对加热炉的影响，首先设计了一台功率为200kW的加热炉。加热炉的结构尺寸见表1。设计时选用的参数称为基准参数，具体内容包括过量空气系数、排烟温度℃、加热炉热效率、燃料消耗量m2/s。

2.3 过量空气系数对加热炉热效率的影响

排烟热损失的影响因素主要是排烟体积和排烟温度。对于运行中的加热炉，排烟温度是不可以独立控制的参数，它由传热状况和烟气量来决定，所以排烟体积是影响燃气加热炉热效率的关键因素。而排烟体积的大小又由过量空气系数决定，因此有必要研究过量空气系数对加热炉热效率的影响。

对上述设计的加热炉，固定热负荷200kW、变化过量空气系数，研究了加热炉的热效率变化关系，结果见图1。从图中可以看出，随着过量空气系数的增加，加热炉的热效率逐渐降低，当时，加热炉的热效率仅为，大大低于设计热效率。引起这个现象的原因是，随着过量空气系数的增加，加热炉排烟热损失大幅增加（见图2）。

实际上，过量空气系数增加导致排烟热损失增加的根源在于传热问题。火筒加热炉由两个部件构成：火筒和烟管。在火筒内，热量传递的主要方式是辐射传热，在烟管内，热量则主要以对流形式传递。随着过量空气系数增加，火筒内进入的冷空气量随之增加，烟气平均温度降低，导致辐射传热减弱；烟管内因烟气量增多，使得对流传热增加（图3）。因对流热传热增大的量不足以弥补辐射热传热减小的量，为了保证加热炉的热负荷，必须加大燃料供给量。这就是过量空气系数增加导致加热炉效率低的根本原因。

更为有趣的是，随着过量空气系数增加，加热炉排烟温度降低（图4）。这种现象很容易导致运行人员做出错误判断，即认为加热炉排烟温度低，热效率应该不低，因此不太关注过量空气系数。实际上，排烟温度低的原因不是加热炉传热好，吸收了烟气的大部分热量，而是过多的过量冷空气混入烟气，因而导致排烟温度降低。为此，加热炉运行人员要定期检测过量空气系数，据此调节风门，控制过量空气系数在合理范围内（不应大于1.5），以保证加热炉高效运行。

3.结论

在对加热炉热效率各影响因素进行分析的基础上，设计了一台200kW火筒式加热炉，通过变化过量空气系数，进行校核计算的方法，研究了加热炉热效率变化规律。结果显示，随着过量空气系数增加，加热炉排烟热损失增加，热效率降低，火筒传热减弱，烟管传热增强，排烟温度降低，燃料耗量增加。因此排烟温度降低，可能导致运行人员误判，所以需要定期检测过量空气系数，通过调节风门控制过量空气系数在合理范围内。

参考文献

[1] 李清方.油田水套炉的数值分析及结构优化[D].青岛：中国石油大学（华东），2009.

[2] 马为国，孙洪钰，冯定.油田用加热炉现状与发展方向[J].石油机械，2006，34（10）：70-71.

[3] Mourhaf Al-Qassimi， Hassan Al-Haj Ibrahim. Matlab program computes thermal efficiency of fired heater[J]. Chemical Engineering， 2008，52（2）：61-69.