摘要：水套式加热炉是为满足气田特殊需要而设计的一种专用加热设备, 主要用于油气集输系统过程中,将原油天然气及其井产物加热到工艺要求的温度,以便进行输送、沉降、分离、脱水和初加工。其主要组成有壳体、火筒烟管、油加热管、燃烧器、烟囱、安全附件等。其加热原理是:燃料在炉体下部的火筒烟管内燃烧, 火焰及高温烟气通过火筒烟管壁面后, 将热量传给中间介质水, 被加热的高温水再将热量以热传导方式加热浸在水中盘管内的流动被加热介质。
关键词：影响加热效率因素；提高加热炉效率措施
一、工作原理
水套式加热炉的加热原理是天然气燃烧器喷出的高温火焰直接加热烟火管，高温烟气向后流动，经烟气出口管进入烟箱，然后经烟囱排入大气。但烟火管和烟气出口管附近的水受热后因密度减小而上升，与气盘管接触传热后温度下降，又因密度增加而下沉，又被加热后又上升，如此不断循环，以加热气盘管内的天然气，达到提高天然气温度的目的。
二、提高加热炉效率措施分析
目前油田大部分水套炉的热效率不高，平均热效率为52%～60%。低效率意味着天然气高消耗量，直接影响油田的生产成本与效益。
（一）加热炉效率低原因
1.排烟温度
加热炉排烟温度在某种程度上对加热炉的热效率起决定因素。排烟温度越低，其烟气带走的热量越少，热效率越高。而在火管、烟管机构面积已定，及换热面积确定的情况下，结垢导致传热系数逐渐降低成为影响排烟温度过高的主要原因。水套加热炉烟管、火管长期浸泡于水中，表面锈蚀接垢，影响加热炉正常换热。而加热炉在长期运行过程中，火罐、烟管中产生大量的锈渣等固体物，在一定程度上较少燃料与热辐射面的换热面积，使大量的热量以烟气的形式被带走，降低了加热炉的热效率。
2.过剩空气系数
工业炉中，燃料的燃烧不可能在理论空气量下完全燃烧，要有一定的过剩空气量。过剩空气系数太低，则易造成燃料的燃烧不完全，也会使管式加热炉燃料耗量增加，从而使管式加热炉热效率下降。过剩空气系数过大，表明管式加热炉内烟气含氧量过多，排烟时，过剩空气将热量带走，排入大气，所以使轮子热损失增加，热效率下降。过剩空气量过大，不仅造成降低了加热炉热效率，还加速了炉管的颅内构件的氧化、增加对流室吸热量大量的过剩空气随着排烟, 将较多的热量从烟道排入大气, 热损失增大, 热效率下降。此外, 过剩空气系数过大还使燃烧温度下降, 从而减小热辐射的强度, 增加燃料用量, 导致热效率下降。
3. 燃烧系统燃烧不充分
燃烧不充分是水套炉燃烧系统的主要问题。其特点是烟火管与炉膛的连接弯头处的焊缝发生泄漏。造成泄漏的原因主要有两方面：一是天然气中凝析水的腐蚀。大部分水套炉由于自用气温度不高，存在于天然气中的饱和水蒸气易凝析成液态水，电离成H+和OH-。H+与天然气、H2S燃烧后的产物CO2和SO2分别生成H2CO3和H2SO3，在高温、高压下，加剧了烟火管通道以及焊缝的腐蚀，缩短了水套炉寿命。水套炉壳程水温度低，易造成饱和水蒸气易凝析成液态水，同时水套炉自用天然气出口温度至节流阀之间的散热面积较大，致使节流阀处温度较低，导致天然气节流降压时产生凝析水或形成水合物。
4.烟火系统易腐蚀穿孔泄漏
目前的水套炉烟管一般为多回程设计方案，目的是为了增加烟管对流换热面积，从而提高加热炉效率。水套炉烟火系统易在烟管、前后管板及烟管连接管板处的焊缝发生腐蚀穿孔泄漏。造成腐蚀穿孔的原因主要还是凝析水的电化学腐蚀。此处的凝析水主要由天然气燃烧后产生。该处焊缝还位于温差大区段，容易对焊缝产生金属疲劳破坏和焊接残余应力破坏。同时，焊缝又处于高温气冲刷和含硫介质的强腐蚀环境下，极易造成腐蚀泄漏。此外，烟囱也易发生腐蚀穿孔致使水套炉无法使用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆另一原因是焊缝的焊接质量问题造成，
（二）提高加热炉热效率方法
1.降低排烟温度
排烟温度升高，则烟气带走的显热增加，即未被利用的热能增加，因此会降低加热炉的热效率。排烟温度与加热炉的整个工艺过程和设备结构有关，调整工艺参数、提高余热回收系统的余热回收能力等，均能使排烟温度下降、加热炉热效率提高。
主要措施：
①提高检修过程中清理火罐、烟管的质量，降低炉内固体渣滓的影响，最大程度的挺高炉内换热面积。由于加热炉U型弯管处不易清理的问题，可根据加热炉的使用情况，外包专业维护队伍进行作业清理。
②加热炉检修过程中，可考虑不开人孔对加热炉内部进行清理。考虑到每年集气站检修过程中，对加热炉进行放水，打开人孔进行内部清理，烟管、火管与空气长时间接触，加快表面锈蚀程度进程，在我区建站时间长，设备老化的集气站可以考虑此方法。
2.降低烟气氧含量
烟气含氧量高，则过剩空气系数大，也就是进入加热炉内的过剩空气量大。这部分空气使炉膛温度降低，燃料燃烧效果差，CO含量增加，未完全燃烧损失增大；排烟时这部分空气还将带走大量的显热，使加热炉热效率明显下降。
3.保证燃料充分燃烧
烟气中 CO 含量高，说明燃料未完全燃烧，燃烧反应所放出的热值就低，为加热炉供给的热能就相对减少，因此，也会导致加热炉热效率下降。
主要措施：
可通过调整加热炉主母火风门大小，从观火孔查看火焰燃烧颜色，保证燃料气充分接触，从而改善燃料的燃烧状况，达到减少未完全燃烧损失、提高加热炉热效率的目的。
4.工艺改造优化
水套炉结构的工艺优化主要从研制新型的火筒、烟管结构，改进换热盘管结构和布置方式，以及增设附属设备进行整体结构优化等方面来进行。结构优化主要目的是强化火筒的辐射换热和烟管对流换热，降低排烟温度，提高水套炉热效率，同时改善炉体结构和整体配置性，降低水套炉设计压力和金属耗量，简化制造工艺。
主要措施：
①采用三回程的加热结构代替目前的两回程结构，增加烟管管束的长度，即增大换热面积，可以大幅度提高水套炉热效率。
②应用新型三维内肋管替代光管作为水套炉的烟管，提高对流换热系数，提高水套炉的热效率，同时可以减小水套炉的火筒烟管长度，有利于降低水套炉的金属耗量。
③增设附属设备进行结构优化，可增设小型气液分离设备除去天然气中的凝析水，减少水套炉的电化学腐蚀。可在烟管与烟囱之间增设小型的余热回收装置，以降低加热炉排烟温度，提高热效率。
④对水套炉进行整体结构优化，将新型高效火筒烟管布置在壳体的内下部，减少水套炉结构尺寸，提高壳体的空间利用率；采用多管程变径管束作为换热盘管，在降低流通阻力的同时，提高了换热系数，增加单位筒体体积内换热盘管的面积，从而提高水套炉加热炉效率。
三、结论
通过降低排烟温度，降低烟气氧含量、保证燃料充分燃烧等手段，可以而且能够有效地提高水套炉的加热效率。通过对水套炉结构和工艺进行整体优化，添加水套炉配套设备，从而能够实现水套炉设备小型化、高效化，并延长设备使用寿命。同时，在水套炉生产制造过程中研制、开发、利用新型材质，严格控制生产质量和焊缝焊接质量，从而克服水套炉泄漏问题，这些措施亦能延长水套炉的使用寿命和提高加热效率。
参考文献
[1]陈鲁，提高水套加热炉热效率的方法与实践，1004-7948(2004)02-0047 -02
论文作者:郑浩 白一海 刘永波 畅
论文发表刊物:《知识-力量》2018年11月下
论文发表时间:2018/10/29
标签：加热炉论文; 烟管论文; 热效率论文; 烟气论文; 温度论文; 燃料论文; 排烟论文; 《知识-力量》2018年11月下论文;