香港终端天然气加热炉节能分析.pdf

第 4 4 卷第 1 期 2 0 1 5年 1月 石油化工设备 PE TRO CHEMI CAL EQUI PMENT Vo1 ． 44 No ．1 J a n ． 2 o 1 5 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 5 0 1 0 0 6 0 0 4 香港终端天然气加热炉节 能分析 刘文 山，陈治新 中海石油 中国 有限公司 崖城作业公 司，广东 深圳 5 1 8 0 6 7 摘 要 天然 气加 热炉 采用 中间载 热 介 质 间接 加 热 的方 式 ，是 石 油 天 然 气 生产 的 主 要 耗 能 设 备 之 一 。为 了节 能 降耗 、 提 高加 热效 率 ，结 合 香港 终 端加 热 炉 实 际工 况 ，分析 天 然 气 加 热 炉 目前 存 在 的 缺点 。提 出对加 热 炉燃烧 系统进行优 化 控制 ， 通 过采 用烟 气含 氧 量检 测 技 术 并计 算 空气过 剩 系 数 、 采用交叉限幅燃烧控制、 空燃比设定值稳定控制、 空燃 比优化、 降低排烟温度 、 对加热 炉火管表 面喷涂 高辐射高效节能涂料以改善加热炉火管的辐射传热效率等措施 ， 可望实现节能降耗和提 高 天然 气加 热炉 效率 的 目的 。 关 键 词 加热炉；热效率 ； 空气；控制；辐射；节能 中图 分类 号 TQ0 5 0 ． 7；TE9 6 3 文 献标 志码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 5 En e r g y s a v i n g An a l y s i s o f Na t u r a l Ga s He a t e r i n Ga s Re c e i v i ng S t a t i o n LI U W e n- s ha n。 CHEN Zhi - xi n Ya c h e n g Op e r a t i n g Co mp a n y，CNOOC Li mi t e d，S h e n z h e n 5 1 8 0 6 7，Ch i n a Ab s t r a c t Na t u r a l g a s h e a t e r i s o n e o f t h e l o w e f f i c i e n c y e n e r g y c o n s u mp t i o n e q u i p me n t a d o p t i n g t he i nd i r e c t he a t i ng by t he he a t t r a ns f e r me di um． Na t u r a l g as he a t e r a do pt i ng t he i n di r e c t h e a t i n g by t he he a t t r a ns f e r m e di u m i s t he ma i n e ne r g y c o ns u m i n g e qu i pme n t i n o 订 a n d g a s pr o du c t i on ． I n o r de r t o s a ve e n e r g y，i mp r o v e t h e he a t i n g e f f i c i e nc y，Co mbi ne d wi t h t h e a c t u al c o nd i t i ons o f na t u r a l g a s he a t e r i n Hon g Ko n g Ga s Re c e i v i ng St a t i o n，t he he a t e r f ur n a c e s hor t c o mi ngs a r e a na l yz e d ． Th e op t i ma l c o nt r o l f or c o mbus t i o n s y s t e m o f he a t e r wa s pr o po s e d，a i r e mi s s i on t e s t wa s a d o p t e d t o c a l c u l a t e e x c e s s a i r c o e f f i c i e n t ，DCL c o n t r o l wa s a d o p t e d t o p r e s e t v a l u e o f c o mb u s t i bl e a i r r a t i o，a n d o pt i m i z e c o mbus t i b l e a i r r a t i o c o n t r o l t o r e du c e t he e x ha us t g a s t e mpe r a t ur e， f i r e t ub e s ur f a c e s pr a yi n g wi t h hi g h r a d i a t i on e ne r gy s a v i ng c o a t i ng i m p r ov e s t he he a t t r a ns f e r e f - f i c i e nc y，a nd t o a c h i e v e t he p ur po s e of e ne r g y s a vi n g a nd c o ns umpt i on r e d uc t i o n o f na t u r a l g a s ． Ke y wo r d s h e a t e r ；h e a t i n g e f f i c i e n c y；a i r ；c o n t r o l ；r a d i a t i o n；e n e r g y s a v i n g 加热炉是油气 田生产 中广泛使用的加热设备 ， 是油 气 田生产 主要 耗 能设 备 之 一 ， 是 企 业 节 能重 要 的环节_ 1 ] 。香港终端天然气加热炉采用天然气作为 燃料 ， 通过火管加热中间载热介质 水 ， 通过载热介 质中的盘管对生产介质天然气进行间接加热。采用 天然气作为燃料 ， 其优点是在燃烧过程 中产生 的污 染物少 ， 燃烧效果好 。 针对香港终端天然气加热炉间接火焰传热效率 偏低 的 问题 ， 结 合加 热炉 现 况 和 工 作 实 际进 行 了节 能分 析 ， 提 出了改 进 措 施及 优 化 控 制 ， 对 节 能 降 耗 、 提高 热效 率有 着非 常重要 的意义 。 1 加热炉运行现状 香港终端有 7台天然气加热炉， 自 1 9 9 6年投产 以来 ， 在线 加 热 炉 的水 浴 温度 通 常 保 持 在 7 6 ～ 8 5℃ ， 依 据 进 I 1 天 然 气 压 力 与 销 售 流 量 来 进 行 调 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 3 O 作者 简介 刘 文山 1 9 7 6 一 ， 男 ， 山东潍坊人 ， 工程 师， 学士 ， 从事 油气 田生产操作及仪表 自动化设备的维修工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刘文 山 ， 等 香港终端天然气加热炉节能分析 节 ， 通过温控阀调整冷热天然气 的混合 ， 用以抵消加 热炉下游 的减压站产生的冷却效果 ， 保持销售 的气 体输送温度约 4 0 ． 5℃， 通常保持 3 个加热炉在线可 以满 足下 游用 户最 大 流量需 求 。 每个 加热 炉 的额定 流 量 约 为最 大 流 量 的 3 0 ， 加 热 炉可 以在 自动 或 者手动 模 式下 工作 。以炉 温为 对象进行 的控制模式 ， 采用并行控制方法 ， 通过给定 温度 、 测量水浴温度进行 P I D控制计算。 加热炉均采用机械微正压强制通风燃烧方式 ， 在风道上装有快 开风 门， 配置强制 供风式燃 烧器 ， 采用 可编 辑 逻辑 控 制 器 P L C 控 制 ， 通 过 自动 化 控 制实现加热炉 自动吹扫、 供气 、 自动点火 、 火焰检测 、 燃烧控制 、 自动停机和启动 以及各种故障检测 ， 完成 加热炉的 自动控制、 温度调节和 自动安全保护[ 3 ] 。 2 香港终端 天然气加热炉存在 问题 1 空燃 比值不稳定 加 热炉的 自动控制属 于 常规 燃烧 控 制 ， 燃 料 与助 空燃 气 由各 自的控 制 阀 、 蝶 阀控制 ， 其空燃 比值 不稳定 。在加热炉实际燃烧控 制系统中， 蝶阀风门的动作一般滞后于燃料 阀。当 处理量增加 、 负荷 突然 增加 时， 燃料控 制阀开度增 加 ， 风门滞后可导致空气量一时供给欠缺 ， 将会造成 加热 炉燃 烧室 因缺 氧燃 烧而 产生 黑烟 。当处理 量减 小、 负荷突然减少时， 又可能造成过氧燃烧而浪费燃 料。如果空气过剩系数大 ， 则系统带走 的热量也大 ， 将导致加热炉效率 降低_ 4 ] 。如果 空气过剩系数小 ， 则燃料不能充分燃烧 ， 不能及时调整合理的燃气配 比 ， 也将影 响加 热 炉效 率 。 对加 热 炉 进 行 预 防性 维 修 以及 紧 急 维修 时 ， 需 调校燃料气控制阀、 碟 阀风 门。此时维修人员根据 各 自经验 ， 通过观察火焰与烟气温度来调整空燃 比 值 ， 这将无法保证燃料气与空气的最佳配 比， 即无法 控制 空气 过剩 系数 ， 因 此 也 就无 法 保 证 燃 烧 达 到最 佳状 态 。 2 烟气空气过剩系数未检测 在实际运行 中， 由于不能检测烟气空气过剩系数、 不能 自动调整合 适的空燃 比， 没有考虑影响加热炉运行效率的空气 过剩系数 、 加热炉负荷率 、 排烟温度等变化情况 ， 时 常会 出现燃烧室表面温度 、 烟筒温度过高等现象， 造 成加热炉效率降低及其运行状态不佳。 3 烟气 排放 不 合 格 在加 热 炉 烟 气 排 放 测试 中， 会有尾气排放不合格现象， 需手动调节燃料气控 制阀、 蝶阀风 门开度 ， 再固定开度测试方合格 。 原设计的加热炉控制系统示意图见图 1 。 3 解决方案 ] 图 1 原设计 的天然气加热炉 控制系统框架示图 3 ． 1 应用烟气含氧量检测技术 1 安装烟气分析仪并计算空气过剩系数 烟囱上安装烟气分析仪 图 2 。通过实时采集烟气 数据 ， 借 助 烟气 分 析仪 测 量加 热 炉 烟气 成分 ， 对 C O 、 H O、 N 、 NO 、 S O 和 O 进 行 成 分 组 成 分 析 ， 在 测定烟气温度 、 流速等参数 ， 利用公式参数计算出空 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 5 年第 4 4卷 图 2 安装烟气分析仪后 的加热炉控制 系统框架结构示 图 气过剩系数、 加热炉热效率等参数 。 2 烟气分析仪与 P L C通讯通过烟气分析仪 与 P L C通讯 ， 可准确计算出空气过剩系数并传输到 P L C。由此 ， 可介入燃烧的 自动控制、 蝶阀调整、 改 变 加热 炉燃烧 状态 的过 程 ， 以达 到 准 确控 制 燃 料 与 空气 的最佳配比、 提高燃料利用率及加热炉热效率、 降低污染物排放的节能降耗 目的。 3 ． 2 空燃比设定值的稳定控制 保持原有 以炉温 为控制 对象 的控 制模 式 ， 以 该温度控制 回路输出信号经负荷变化等 外界干扰 信号的前馈作用后作为主信号对燃料控 制系统和 空气控制 系统 进行 并行 串级设 定 。控制 回路 中 ， 考虑发烟临界 值燃料 最小值 、 发 烟临界 空气 较大 值 、 空气过剩率的影 响 ， 空气流量控制器 的设定信 号设定下限 限幅控制 功能 ， 空气 过剩率 上 限下 限 限 幅控 制 的 功能 。 1 修 改燃料 气 控制 阀 、 蝶 阀风 门控 制方式燃 料 回路 和 空气 回路 分 开 控制 ， 由温度 调 节 器 根 据 程 序分别控制燃料气控制阀和蝶 阀风门开度。 2 空气过剩率设定值补偿 不管燃烧量在稳 定或变化时都将空气过剩系数抑制在所定范 围内。 负荷增加时， 空气先行增加来控 制； 负荷减少 时， 燃 料先行减少来控制 。 3 ． 3 优化稳定状态下的空燃比 空燃 比太 大 ， 进入加 热 炉 内的过剩 空气 量 大 ， 一 部分热量就从烟道随空气带走， 使炉膛温度降低 ， 热 效率降低 ， 烟气含氧量高。 实际生产过程 中， 空燃 比太小， 则燃烧 不完全 ， 发生 了不 完 全燃 烧 现象 ， 炉 内反应 产 生 C o， 尾 气 中 含有未燃燃料 ， 热效率也随之降低 。燃料流量一定， 则必然存在最优 的空气流量使加热炉热效率最高， 使空燃 比最优 。 1 增 加空 燃 比寻 优 模 块 在 控制 程 序 中增 加 空燃 比寻 优模 块 ， 采 用 空燃 比寻 优 算 法 。在 稳 定 运 行时， 计算空燃 比最优设定值 ， 燃料和空气合理配比 是高效燃烧的首要条件 ， 既要满足工艺对加热炉 的 要求 ， 也要符合节能和降低对环境污染 的要求。 2 判断 运行 状态在 加热炉 稳态 运行 时 ， 水浴 温度 、 炉温近似不变 ， 此时燃料热值不变 ， 可认 为空 燃 比固定 。当空燃 比发 生变 化 ， 热 效率 变化 ， 引 起炉 温变化 ， 经过一段时间的 自动调节 ， 炉温重新稳定并 恢 复到原 来 的设定 炉温 ， 此 时燃料 设定 值发 生 变化 ， 若 流量增 加 ， 空燃 比恶 化 ； 若 流 量 减小 ， 空燃 比更 加 优 化 。 3 ． 4 降低排烟温度[ 3 排烟温度 的高低 直接决定着锅炉效率的高低 ， 排烟热损失是加热炉 的主要热损失之一 ， 一般能 占 到加热炉各项损失的 1 O ～2 0 9 ／ 6 ， 是各项损失中最 大的一个因素 。排烟温度升高， 则排烟热损失增大 ， 烟气带走的显热增加 ， 会降低加热炉的热效率 ， 排烟 温度的高低直接决定着锅炉效率的高低 。 1 减少加热炉本体漏风在实际运行中， 通过 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刘 文山 ， 等 香港终端天然气加热炉节能 分析 6 3 日常检查 各个 阀门之 间 的密封 程度 是 否完 整与 定期 维修 ， 保 证不 存在 漏 风现象 ， 管线 密封 完好 。 2 检查 加热 炉 受 热 面 检 查 是 否 因积 灰 导 致 受热面传热系数降低 ] ， 使加热炉吸热量降低 ， 烟气 放热 量减 少从 而导 致 排烟 温度 升 高 。 3 改善加热炉火 管的辐射传 热效率_ g 采用 对加热炉火管 内表面喷涂高辐射高效节能涂料增强 辐射能力 ， 改善加热炉火管的辐射传热效率 ， 增强加 热炉火 筒 的吸热 、 传热 效果 ， 做 好炉 体保 温措 施 。 4 调整 过剩 空 气 系数 通 过 调整 过 剩 空 气 系 数 改 善加 热炉 燃烧 状 况 、 提 高换 热效 率 ， 在避 免 低温 酸腐蚀 的情况 下尽 量 降低 排 烟 温 度 ， 排 烟 温 度 可 以 得到有效 的控制 _ 】 。 4 结语 文 中所述的改进建议将在下次加热炉的优化控 制改造 中使用 ， 以早 IE I 达到进一步节能降耗 、 减轻工 业 废气 对 环境 的污 染根 本 目的 。 参 考文献 [ 1 ] 任刚． 炼 油企业设备节 能新进展 E J ] ．石油 化工 设备技 术 ， 2 0 0 9 4 2 2 2 7 ． [ 2 ] [ 3 ] E 4 ] E 5 ] [ 6 ] REN Ga ng ． Eq ui p me nt Ene r gy S a vi ng Oi l Re f i ni ng E n t e r p r i s e s Ne w D e v e l o p me n t [ J ] ．P e t r o c h e mi c a l E q u i p me n t Te c h n o l o g y ，2 0 0 9 4 2 2 2 7 ． 马卫 国， 孙洪钰 ， 冯定 ．油 田用加热炉 技术现状 与发展 方向[ J ] ．石油 机械 ， 2 0 0 6 1 O 7 0 7 1 ． M A W e i g u o ， S UN Ho n g y u ， F ENG Di n g ． S t a t u s a n d De v e l o p me n t Di r e c t i o n o f Oi l f i e l d He a t i n g Fu r n a c e T e c h n o l o g y[ J ] ． C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y ， 2 0 0 6 1 0 7 0 7 1 ． 殷振兴 ，白生虎 ， 邢 玉庆．热媒 间接加 热炉 的 P L C控 制系统 [ J ] ．自动化 与仪表 ， 1 9 9 9 4 5 4 5 7 ． YI N Z h e n x i n， B AI S h e n g - h u，XI NG Yu q i n g ． PLC C o n t r o l S y s t e m o f He a t Me d i u m He a t e r [ J ] ．Au t o ma t i o n a n d I n s t r u me n t a t i o n， 1 9 9 9 4 5 4 - 5 7 ． 王东．油 田加热炉高效运行参 数分析 [ D] ．大庆 东北 石油大学 ， 2 0 0 5 ． W ANG Do n g ． An a l y s i s o f Oi l f i e l d Ef f i c i e n t Op e r a t i o n o f He a t i n g F u r n a c e P a r a me t e r s[ D] ．D a q i n g No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， 2 0 0 5 ． 马永涛．加热炉过量空气 系数 测量[ J ] ．石油和化工 节 能 ， 2 O 1 2 3 3 - 4 ． MA Yo n g t a o ．Me a s u r e me n t o f He a t i n g F u r n a c e Ex c e s s Ai r C o e f f i c i e n t [ J ] ．P e t r o l e u m C h e mi c a l E n e r g y Co n s e r v a t i o n，2 0 1 2 3 3 - 4 ． 吴迪 ．管式 加热炉 效率 评价 及节 能改 造研 究[ D] ．北 京 清华大学 ， 2 0 1 0 ． wu Di ．Ev a l u a t i o n a n d En e r g y S a v i n g He a t i n g Ef f i c i e n c y S t u d y [ D ] ．B e ij i n g Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ． [ 7 1 刘 录．加热炉控制排烟温度 及空气 系数技术分 析与应 用 [ J ] ．石油 石化 节能 ， 2 0 1 3 6 1 3 1 4 ． LI U Lu ． Ex h a u s t Ga s Te mp e r a t u r e a n d Ai r F a c t o r An a l y s i s a n d Ap p l i c a t i o n i n He a t e r [ J ] ．E n e r g y C o n s e r v a t i o n i n Pe t r l e u m 8 L Pe t r o c h e mi c a l I n d u s t r y ，2 0 1 3 6 1 3 - 1 4 ． [ 8 ] 姜建锋 ， 钱静． 锅炉受热 面的结灰机理和吹灰器 的设 置 [ J ] ． 锅炉制造 ， 2 0 0 3 4 2 5 ～ 2 7 ． J I ANG J i a n - f e n g，QI AN J i n g ．Ca u s e o f S l a g g i n g o n F u r n a c e a n d S o o t B l o we r Ar r a n g e me n t [ J ] ． B o i l e r Ma n u f a c t u r i n g，2 0 0 3 4 2 5 2 7 ． [ 9 ] 王麒 ， 田园．提高 加热炉 效率措施 及改 造思路 [ J ] ．石 油石化节能 ， 2 0 1 1 1 O 3 9 4 0 ． W ANG Qi ， TI AN Yu a n ． Th e Me a s u r e s a n d Thou ght s f o r I mpr o v i n g t he Ef f i c i e nc y o f He a t i n g Fur n a c e [ J ] ．E n e r g y C o n s e r v a t i o n i n P e t r l e u m ＆ P e t r o - c h e mi c a l I n d u s t r y ，2 0 1 1 1 0 3 9 4 0 ． [ 1 O ]赵慧娟 ， 宋爱荣 ， 周立波 ． 提 高大型 加热 炉热效 率方 法 [ J ] ．石油化工设备 ， 2 0 1 0 ， 3 9 4 7 2 7 3 ． ZHAO Hu i j u a n，S ONG Ai r o n g， ZHOU Li b o ．I m p r o v i n g L a r g e He a t e r s Th e r ma l E f f i c i e n c y[ J ] ．P e t r o c h e mi c a l Eq u i p me n t ， 2 0 1 0， 3 9 4 7 2 7 3 ． [ 1 1 ]王云 ．加 热炉 的 节 能优 化 [ J ] ．化 学 工 程装 备 ， 2 0 1 3 1 1 4 2 1 4 4 ． W ANG Yu n ． En e r g y C o n s e r v a t i o n Op t i mi z a t i o n o f He a t i n g F u r n a c e [ J ] ．C h e mi c a l E n g i n e e r i n g＆ E q u i p me n t ， 2 0 1 3 1 1 4 2 1 4 4 ． [ 1 2 ]郭韵 ， 曹伟武 ， 严 平 ， 等．天然气 加热 炉 的发展 现状 与 改进探索 [ J ] ．天 然 气 工 业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 2 1 0 4 1 0 7 ， 1 57 ． GUO Yu n ， CAO W e i - wu， YAN P i n g，e t a 1 ．Ex p l o r a t i on a nd De ve l op me nt of Nat u r a l Ga s He a t e r s wi t h Hi g h F u e l E f f i c i e n c y [ J ] ．Na t u r a l G a s I n d u s t r y ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 2 1 0 4 1 O 7 ， 1 5 7 ． [ 1 3 ]郭韵 ， 曹 伟武 ， 钱 尚源 ， 等．不 同中 间载热介 质 天然 气 加热炉 的研究 [ J ] ．化 工进 展 ， 2 0 1 2 ， 3 1 6 1 2 0 6 1 2 1 4 ． GUO Yu n ， CA0 We i - wu， QI AN S h a n g y u a n ，e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o n Na t u r a l Ga s H e a t e r s wi t h Di f f e r e n t He a t - t r a n s f e r Me d i u mE J ] ．C h e mi c a l I n d u s t r y a n d E n g i n e e r i n g P r o g r e s s ， 2 0 1 2， 3 1 6 1 2 0 6 1 2 1 4 ． [ 1 4 ]于彩霞 ， 曹伟 武 ， 严 平 ， 等．天然 气加 热炉 的热 力计 算 与分析[ J ] ．上海理工 大学 学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 1 6 3 6 7 ． YU C a i x i a ， CAO W e i wu， YAN Pi n g ， e t a 1 ． Th e r ma l C a c u l a t i o n a n d An a l y s i s o n I n d i r e c t F i r e d He a t e r s wi t h Na t u r a l G a s E J ] ．Un i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 0 8 ， 3 0 1 6 3 6 7 ． 许编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m