燃气加热炉热效率计算方法的改进及应用

燃气加热炉热效率计算方法的改进及应用
发表时间：2019-06-24T16:02:44.060Z 来源：《基层建设》2019年第7期作者：王志春
[导读] 摘要：目前，加热炉热效率计算通常采用正平衡方法，通过直接测量加热炉输入热量和输出热量计算得到热效率。

中国石油化工股份有限公司天津分公司天津 300270
摘要：目前，加热炉热效率计算通常采用正平衡方法，通过直接测量加热炉输入热量和输出热量计算得到热效率。

而对于反平衡计算方法，则是通过测试和计算加热炉各项热损失（包括化学不完全燃烧热损失、排烟热损失、机械不完全燃烧热损失、散热损失）以求得热效率，有利于对加热炉进行全面分析，得到影响热效率的各种因素，找出提高加热炉热效率的有效途径。

关键词：加热炉；热效率；反平衡；计算软件；现场应用；
加热炉热效率计算普遍采用正平衡计算方法，该方法通过直接测量加热炉输入热量和输出热量而计算得到。

为了研究燃气加热炉热效率与燃气气质参数、排烟温度、过量空气系数等可控参数的关系，对热效率的正平衡计算方法进行改进，采用反平衡热效率计算方法，通过对加热炉排烟损失、散热损失、气体未完全燃烧热损失的计算从而求得热效率。

根据热效率计算方法编制计算软件，并在软件计算界面保留过程参数，可以为分析热效率影响因素、制定节能措施、评估节能效果提供基础数据。

一、概述
燃气加热炉作为石油化工企业最常见的设备之一，主要设置于井口、计量站、接转站等处，用以提高被输送介质温度至其工艺要求的温度，以便于进行运输、分离、粗加工等工艺。

燃气加热炉通过喷嘴将燃气与空气充分混合，使得燃烧更加彻底，降低了不完全燃烧所带来的热损失和对环境的污染。

并且在操作方面比燃油容易控制，其节能效果也比固体和液体燃料更加理想。

通过对燃气加热炉的热平衡效率进行测试，可以找出燃气加热炉在设计、操作等方面的不合理之处，从而提出可行的改造方案，为燃气加热炉的节能降耗指明方向。

二、天然气加热炉工作原理
天然气加热炉主要用于井口、计量站及接转站等处，其作用是作为天然气的升温防冻设备将天然气加热至工艺所要求的温度，以便于进行运输、分离及粗加工等工艺。

天然气加热炉的结构.火筒是火管和烟管的总称，一般火管布置在壳体的下部空间，烟管布置在火管的另一侧，火管与烟管相连通，加热盘管布置在壳体的上部空间，壳体内充满中间传热介质。

天然气加热炉工作时燃料在炉体内下部的火管内燃烧，热量通过火管和烟管壁面传递给中间传热介质，传热介质再加热在盘管内流动的被加热介质天然气。

火管具有燃烧室的功能，主要传递辐射热；烟管主要传递对流热。

中间介质以自然对流的方式将热量从火筒传递至加热盘管。

根据加热介质温度的不同，中间传热介质可以采用水、蒸汽、乙二醇一水溶液等进行传热，但通常采用常压水浴传热方式。

三、热效率计算方法对比
加热炉热效率的正平衡计算法是用燃气加热炉有效利用热量与外界供给加热炉的热量之比来计算加热炉热效率1的方法，其计算式为：
式中：D为被加热介质流量，kg/h；h out、h in分别为被加热介质出、入口质量焓，kJ/kg；B为加热炉燃料消耗量，kg/h；Qin为输入热量，kJ/kg；QYDW为燃料低位发热值，kJ/kg；Q Win为用外来热量加热燃料或空气时，相应于每千克或每立方米燃料所给的热量（该计算方法无外来热源加热空气和燃料气，因此为零），kJ/kg；Hrx为燃料的物理显热，kJ/kg；QY DWi为i组分燃料低位发热值，kJ/kg；yi为i组分的质量分数，％；Cpi为燃料中i组分定压比热容，kJ/（kg·K）；ΔT为燃料温度与计算参考温度之差，K。

对于燃气加热炉而言，燃烧天然气实现能量转换，其大部分能量提供给被加热介质，还有一部分能量在各环节中损失。

燃气加热炉热损耗包括排烟损失、气体不完全燃烧热损失及散热损失。

排烟损失是由于加热炉排烟带走了一部分热量造成的热损失，其大小与烟气量、排烟温度、基准温度及烟气中蒸汽的显热有关；气体不完全燃烧热损失是由于烟气中含有未燃尽的CO和烷烃等可燃气体未燃烧所造成的热损失，主要受到燃料气性质、过量空气系数及炉内温度等影响；散热损失是指在加热炉范围内炉墙和管道向四周环境散失的热量占总输入热量的百分比。

一般情况下，排烟热损失最大，其次为散热损失，而不完全燃烧热损失最小。

根据上述燃气加热炉热损耗组成，建立反平衡计算方法，得到燃气加热炉反平衡效率2计算式：
式中：q 2为排烟损失，％；q 3为燃料化学不完全燃烧损失，％；q 5为散热损失，％；Kq 4为固体未完全燃烧热损失修正系数，Kq
4=1；Hpy为排烟处烟气焓，kJ/kg；Hlk为入炉冷空气焓，kJ/kg；Vgy为排烟处干气体积，m3/kg；126.3为CO容积发热量，kJ/m3；358.18为CmHn容积发热量，kJ/m3；CO、CmHn为烟气中各组分百分数，％；q5为理论散热损失（表1），％；Tb为炉面温度，℃；T为入炉冷空气温度，℃。

由上述正、反平衡方法对比可知，正平衡方法通过实测参数进行计算，被测参数的测试难度大；在反平衡方法计算中，关于排烟损失、散热损失、气体未完全燃烧热损失的计算包含更多与加热炉运行性能相关的参数，如排烟温度、空燃比等。

因此，相对于正平衡方法而言，反平衡计算方法能更直观地反映影响加热炉热效率的各种因素。

三、现场应用及结果分析
新编制计算软件已在某油田现场进行了大量应用，完成了不同型号燃气加热炉热效率的计算。

下面以3个计转站的6台加热炉为例，分别运用正、反平衡方法进行计算，结果表明两种方法的相对差值小于5％。

现场应用结果表明，利用反平衡方法进行燃气加热炉热效率计算，所需计算参数现场测试的可操作性强。

相对于正平衡计算方法中通过焓值计算热效率而言，反平衡方法可通过热损耗组成关系，直接利用测试参数计算各环节的热损耗，并最终得到加热炉的热效率。

在对生产现场的加热炉进行操作时，为了保证燃料的完全燃烧和操作的安全性，进入加热炉的空气量要比理论所需的空气量多。

当空气量不足时，废气中的CO含量便会急剧上升，同时，原料气为油田伴生气时
带有部分重烃，当空气量过高时，会造成燃料不完全燃烧产生浓烟，污染环境[9]。

因此，在加热炉正常工作状态下，过量空气系数应保持在实际所需量的最低水平，以减少不必要的空气量，从而降低加热炉的排烟损失。

同时，过量空气系数可以通过烟道气中的氧含量方便地计算出来，在生产现场，氧含量是衡量加热炉热效率的重要指标。

此外，排烟温度相对于入炉冷空气温度的增加量也是决定燃烧效率的重要因素。

如果入炉冷空气温度低，同时排烟温度过高，那么被烟气所带走的热量较多，这样便相对降低了加热炉加热物料的热量占总热量的比例，从而降低了燃气加热炉的热效率。

另外，利用反平衡计算方法进行热效率影响因素分析表明：排烟温度及过量空气系数对加热炉热效率的影响最大，因此采取措施降低排烟温度、控制合理的空燃比对加热炉的节能降耗具有重要意义。

总之，基于反平衡的燃气加热炉热效率计算方法既与燃料气气质参数有关，也与排烟温度、空燃比等加热炉运行性能的过程参数有关。

与正平衡计算方法相比，反平衡计算方法能够较直观地反映影响加热炉热效率的各种因素，为管理人员对加热炉制定节能降耗措施提供依据。

现场应用表明，燃气加热炉热效率计算方法不仅能够满足生产需要，且极大地简化了热效率的计算过程，具有较强的可操作性。

参考文献：
[1]钱惠民.李建平，提高加热炉效率措施及改造思路.2018.
[2]郎肖曦，陈丹阳.浅谈燃气加热炉热效率计算方法的改进及应用.2018.
[3]刘宏宇.探讨燃气加热炉热效率计算方法的改进及应用.2017.。