加热炉热平衡测试及分析

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　油　气　储　运　　　　　　　　　　　・5

0・

　　　2005年　

加热炉热平衡测试及分析

段光才

　赵飞松

(中石化荆门分公司洪湖输油处)

段光才　赵飞松:加热炉热平衡测试及分析, 油气储运,2005,24(6) 50～52。

　　摘　要　针对洪湖至荆门石化原油输送管道中应用的GW3000-Y/64-Y 运行中热效率值低于设计值问题, 对熊口站1, 排烟热。　　主题词　输油管道　　加热炉措施　　号为GW3000-Y/-Y , 设计热效率为87%, 于1995年5月开始投用, 最初这种加热炉自动化程度较高, 实行微机控制运行, 后来改为手动控制。在实际运行中发现, 加热炉热效率达不到设计值, 为了分析其原因并考察加热炉运行状况, 对熊口站1号炉进行连续运行稳定工况下的热平衡分析测试。

×100%　(i =1,2,3,4,5) Q r

q 1+q 2+q 3+q 4+q 5=1

令　q i =得到:

(2)

式中　q 1———加热炉有效利用热量占输入热量的百

分数;

　　　q 2———加热炉散热损失热量占输入热量的百

分数; 　　　q 3———加热炉化学不完全损失热量占输入热

量的百分数;

　　　q 4———加热炉机械不完全损失热量占输入热

量的百分数;

　　　q 5———加热炉排烟损失热量占输入热量的百分数。

通过对加热炉热平衡测试, 考察燃料产生的热量有多少被有效利用, 有多少变为热损失, 这些热损失又表现在哪些方面, 从而找出引起热损失的原因, 以便采取有效措施, 使其达到节约能源的目的。

一、热平衡测试原理

　　对于连续生产的管式炉, 根据能量守衡定律, 在

稳定状态下, 单位时间的输入量与单位时间输出量相等。输入热量来源于燃料燃烧产生的热, 输出热量包括加热炉有效利用热量及各种热损失。1kg 燃料输入炉内的热量与加热炉的有效利用热量及各种热损失间存在以下平衡关系:

(1) Q r =Q 1+Q 2+Q 3+Q 4+Q 5式中　Q r ———加热炉的输入热量;

　　　Q 1———加热炉的有效利用热量; 　　　Q 2———加热炉的散热损失; 　　　Q 3———加热炉的化学不完全热损失; 　　　Q 4———加热炉的机械不完全热损失; 　　　Q 5———加热炉的排烟热损失。

将式(1) 变形为:

++++=1Q r Q r Q r Q r Q r

　3448000, 湖北省荆门市; 电话:(0724) 2210077。

二、正平衡和反平衡效率计算

　　1、　正平衡效率计算

加热炉有效利用热量与外界供给炉子的热量之

) , 其计算公式如下:比为加热炉热效率(η

η=q 1=×100%

Q r

(3)

第24卷第6期　　　　　　　　　　　　　段光才等:加热炉热平衡测试及分析

　　　　・51・

Q 1=GC (T O -T i )

Q r =BQ L

(4) (5)

式中　G ———原油输量,kg/h ;

) ; 　　　C ———原油比热容,kJ /(kg ・℃

　　　T O ———原油出炉温度, ℃;

　　　T i ———原油进站温度, ℃; 　　　B ———燃油消耗量,kg/h ; 　　　Q L ———燃油低发热值,kJ /kg 。

2、　反平衡效率计算

通过测定加热炉的各项热损失, 以此来确定加热炉的热效率为反平衡效率。由式(2) 可知:

η(6) ′=1-(q 2+q 3+q 4+q 5)

假设q 3=0, q 4=0, 则有:

η′=1-q 2-5

(1) 2:

Q 2а×F (t w -t k )

　　а=аd +аf

=1. 163{K (t w -t k )

1/4

　　а——对流换热系数,W/(m 2・K ) ; d —

　　а——辐射换热系数,W/(m 2・K ) ; f —　　　K ———对流换热经验系数; 　　T w ———炉体外壁绝对温度, K ; 　　T k ———周围空气绝对温度, K; 　　а——加热炉平壁对流换热系数, d p —

W/(m 2・K ) ; 　　а——加热炉圆筒壁对流换热系数, d y —

W/(m 2・K ) ; 　　w ———风速,m/s ; 　　　d ,m 。

(8计算得到加热炉(q 2%。

(q 5) 的计算加热炉排烟热损失(q 5) 可根据式(12) 计算求得, 即:

(12) q 5=(3. 5а10-4gx +0. 5) (t py -t ) ×式中　а——过剩空气系数, 取1. 15～1. 25; gx —

　　　t py ———排烟温度, 设计排烟温度为200℃; 　　　　t ———环境温度, ℃。

((8)

+4. 5[(T w /100)

-(T k /100) ]/t w -t k }(9) (10) (11)

аd p =1. 163K (t w -t k )

а3. 95(w 0. 6/d 0. 4) d y =1. 163×

式中　а———综合换热系数,W/(m 2・K ) ; 　　F ———炉壁表面积,m 2; 　　t w ———炉体外壁温度, ℃; 　　　t k ———周围空气温度, ℃;

三、测算及分析

　　2002年10月25日, 对熊口1号加热炉进行了

现场监测。分别对炉前(火嘴周围) 、辐射室、对流室等6个点进行了测试, 测试结果见表1和表2。

表1　加热炉热平衡测试时的相关运行数据

检测部位

平均温度

(℃) 117. 556. 545. 5

环境温度

(℃) 222222

温差

(℃) 95. 534. 523. 5

风速

(m/s ) 111

换热系数

(W/(m 2・K ) )

24. 618. 817. 3

热流强度

(W/m 2) 2349. 3

总散热面积

(m 2) 170

总散热损失

(kW ) 102. 5

炉前(火嘴周围) 辐射室对流室

　650. 0　407. 3

　注　在平均温度下的含氧量为5%。

　　由表1可以看出, 加热炉炉前(火嘴周围) 外壁

温度超标, 表明加热炉的保温结构存在问题。

由表2可以看出, 加热炉的正反平衡效率差小于5%, 符合测试规范要求。受条件限制, 在正平衡测试过程中忽略了空气带入加热炉的显热; 在反平衡测试过程中忽略了由化学、机械引起的不完全损

失, 因此, 实际热效率值(87%) 比测算的热效率值

稍低。

由表1和表2中相关数据分析表明, 排烟热损失和过剩空气系数超标是导致加热炉热效率下降的主要原因。而引起排烟热损失和过剩空气系数的超标, 主要是由以下几方面因素造成。

・52・油　气　储　运　　

表2　加热炉正反热平衡效率测算数据

2005年　

原油输量

(kg/h ) 150000

原油比热容

(kJ /(kg ・℃) )

2. 03

原油出炉温度

(℃) 60

原油进站温度

(℃) 37

燃油消耗量

(kg/h ) 197

过剩空气系数

1. 29

排烟温度

(℃) 258

环境温度

(℃) 22

燃油低发热值

(kJ/kg ) 42004

加热炉有效利用热量

(kJ/h ) 7003500

加热炉的散热损失

(kJ/h ) 369000

加热炉的输入热量

(kJ /h ) 8274788

炉散热损失

%4. 5

炉排烟损失

%11. 8

正平衡效率

反平衡效率

%83. 7

　　(1) 忽视加热炉的日常维护工作。如不按时对加热炉进行吹灰作业, 可导致炉管、量灰垢, 影响传热, 高, , (2) 对流室墙板密封不严, 过剩空气系数偏高, 导致加热炉热效率下降。

(3) 加热炉超热负荷运行使排烟温度偏高。

(4) 加热炉低负荷运行时易引起氧化镐指示精

, 。将其、控制灵活的气动旋转式吹灰器后, 在胜利输油处应用实践证明, 每次应用该吹灰器吹扫后, 排烟温度平均降低25℃, 提高炉效近3%, 节能效果明显〔2〕。

(5) 及时更换不符合要求的燃烧器, 定期清洗火嘴, 保证燃油良好雾化, 燃烧充分。

(6) 定期校验维护氧化镐, 找出加热炉的最佳运行工况, 避免加热炉超负荷或低负荷运行。

(7) 加强加热炉检修质量管理, 保证加热炉不漏风, 耐火纤维衬里不脱落。

参　考　文　献

1, 　钱建华　卜文平:提高输油(气) 管道综合效率技术研讨会论文

度低甚至失灵, 难于精确控制出口蝶阀开度, 导致进风量大, 过剩空气系数偏高。

(5) 加热炉火嘴已运行近6年, 由于长时间燃烧, 造成火嘴形状和尺寸发生改变, 雾化效果不好。

四、改进措施及建议

　　(1) 加强加热炉的管理和操作人员的培训, 提高人员理论水平和操作技能。

(2) 合理地调节油风比例, 在保证加热炉燃烧完全的前提下, 实施低过剩空气系数的燃烧。通常, 管式炉过剩空气系数每降低0. 1, 热效率约提高0. 5%～1%。

(3) 建议风机增加变频器, 实行风量自动化控制, 即变速调节控制。利用氧化镐分析烟气中的氧含量, 达到自动控制风机转速、调节加热炉过剩空气系数、提高加热炉热效率。该变频自控系统在胜利油田孤东采油厂测试后, 节电、节油效果明显, 系统效率提高了5. 1%〔1〕。

(4) 按时进行吹灰作业, 确保排烟温度控制在最佳状态。目前使用的电动旋转式吹灰器耗气量大,

集, 中国石化出版社(北京) ,2003。

2, 　梁　超等:吹灰技术在管道加热炉中的应用, 化工设备与防腐

蚀,2003,20(4) 。

(收稿日期:2004208216)

编辑:仇　斌

文摘(十)

纳米技术在输油气管道中的应用

赵国星　　姜保良

　　介绍了纳米技术的基本概念和特性,

描述了纳米技术在未来管道运行和建设中的应用及发展前景。

第24卷第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　油　气　储　运

　・59・

作　者　介　绍

潘家华　教授级高级工程师,1930年生,1952年毕业于原北洋大学机械系, 历任中国石油天然气管道局总工

程师, 现任中国石油天然气集团公司咨询公司总工程师, 兼任上海交通大学、天津大学、石油大学、中国人民解放军后勤工程学院、抚顺石油学院教授, 中国科学院金属研究所客座研究员, 中国石油学会常务理事, 中国石油学会储运学会理事《油气储运》, 杂志社1～6届编委会主任。

梅云新　高级工程师,1952年生,1978年毕业于西南石油学院矿场机械专业, 现任中国石油管道公司科技中

心副总工程师。

黄　坤　副教授,1965年生,1985, 读博士生(在职) , 伍东林　经济师,1969, 现在中油辽河油田分公司销售公司

高发连　,1985年毕业于重庆石油学校输气专业, 石油大学(北京) 油气储运专业在读

工程硕士生, 现在中国石油天然气管道局从事油气储运技术管理工作。

姜笃志　高级工程师,1960年生,1982年毕业于抚顺石油学院储运专业, 一直从事油气管道的设计和工程管

理工作。

孟振虎　副教授,1950年生,1981年毕业于石油大学(山东) 机械系, 获硕士学位, 现在江苏石油化工学院机

械系储运教研室工作。

夏　志　1977年生,2001年毕业于西南石油学院油气储运专业,2004年毕业于石油大学(北京) 油气储运

系, 获硕士学位, 现在中海油研究中心从事油气储运设计工作。

罗旗荣　工程师,1963年生,1989年毕业于中国石油天然气管道局职工学院长输工艺专业, 现在中石化管道

储运公司聊城输油处从事输油工艺管理工作。

陈文国　高级工程师,1967年生,1990年毕业于西南交通大学航地系工程地质和水文地质专业, 现在中国石

油天然气管道工程有限公司从事管道线路工程设计工作。

钱成文　高级工程师,1967年生,1989年毕业于大连大学热能工程专业, 现在中国石油管道公司科技中心从

事油气管道技术信息和战略规划研究工作。

祝龙林　工程师,1968年生,1992年毕业于石油大学(山东) 自动化专业, 现在中石化管道储运公司南京输油

处工作。

黄郑华　副教授,1958年生,1982年毕业于华东理工大学有机化工专业,1997年北京理工大学应用化学专

业研究生班结业。现在中国人民武装警察部队学院消防工程系从事消防工程的研究和教学工作。

段光才　高级工程师,1965年生,1988年毕业于兰州大学物化系, 现在中石化荆门分公司洪湖输油处从事安

全生产管理工作。

尹国耀　教授级高级工程师, 国家级有突出贡献专家,1941年生, 1965年毕业于西安石油学院开发系, 长期

从事管道设计、建设、管理工作, 曾任中国石油西北管道建设指挥部副总工程师。

于　涛　助理工程师,1975年生,1999年毕业于郑州工学院材料科学与工程系, 现在中原油田采油工程技术

研究院电潜泵技术研究所从事技术开发工作。

—6

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　油　气　储　运　　　　　　　　　　　・5

0・

　　　2005年　

加热炉热平衡测试及分析

段光才

　赵飞松

(中石化荆门分公司洪湖输油处)

段光才　赵飞松:加热炉热平衡测试及分析, 油气储运,2005,24(6) 50～52。

×100%　(i =1,2,3,4,5) Q r

q 1+q 2+q 3+q 4+q 5=1

令　q i =得到:

(2)

式中　q 1———加热炉有效利用热量占输入热量的百

分数;

　　　q 2———加热炉散热损失热量占输入热量的百

分数; 　　　q 3———加热炉化学不完全损失热量占输入热

量的百分数;

　　　q 4———加热炉机械不完全损失热量占输入热

量的百分数;

　　　q 5———加热炉排烟损失热量占输入热量的百分数。

一、热平衡测试原理

　　对于连续生产的管式炉, 根据能量守衡定律, 在

(1) Q r =Q 1+Q 2+Q 3+Q 4+Q 5式中　Q r ———加热炉的输入热量;

将式(1) 变形为:

++++=1Q r Q r Q r Q r Q r

　3448000, 湖北省荆门市; 电话:(0724) 2210077。

二、正平衡和反平衡效率计算

　　1、　正平衡效率计算

加热炉有效利用热量与外界供给炉子的热量之

) , 其计算公式如下:比为加热炉热效率(η

η=q 1=×100%

Q r

(3)

第24卷第6期　　　　　　　　　　　　　段光才等:加热炉热平衡测试及分析

　　　　・51・

Q 1=GC (T O -T i )

Q r =BQ L

(4) (5)

式中　G ———原油输量,kg/h ;

) ; 　　　C ———原油比热容,kJ /(kg ・℃

　　　T O ———原油出炉温度, ℃;

　　　T i ———原油进站温度, ℃; 　　　B ———燃油消耗量,kg/h ; 　　　Q L ———燃油低发热值,kJ /kg 。

2、　反平衡效率计算

通过测定加热炉的各项热损失, 以此来确定加热炉的热效率为反平衡效率。由式(2) 可知:

η(6) ′=1-(q 2+q 3+q 4+q 5)

假设q 3=0, q 4=0, 则有:

η′=1-q 2-5

(1) 2:

Q 2а×F (t w -t k )

　　а=аd +аf

=1. 163{K (t w -t k )

1/4

　　а——对流换热系数,W/(m 2・K ) ; d —

W/(m 2・K ) ; 　　а——加热炉圆筒壁对流换热系数, d y —

W/(m 2・K ) ; 　　w ———风速,m/s ; 　　　d ,m 。

(8计算得到加热炉(q 2%。

(q 5) 的计算加热炉排烟热损失(q 5) 可根据式(12) 计算求得, 即:

(12) q 5=(3. 5а10-4gx +0. 5) (t py -t ) ×式中　а——过剩空气系数, 取1. 15～1. 25; gx —

　　　t py ———排烟温度, 设计排烟温度为200℃; 　　　　t ———环境温度, ℃。

((8)

+4. 5[(T w /100)

-(T k /100) ]/t w -t k }(9) (10) (11)

аd p =1. 163K (t w -t k )

а3. 95(w 0. 6/d 0. 4) d y =1. 163×

式中　а———综合换热系数,W/(m 2・K ) ; 　　F ———炉壁表面积,m 2; 　　t w ———炉体外壁温度, ℃; 　　　t k ———周围空气温度, ℃;

三、测算及分析

　　2002年10月25日, 对熊口1号加热炉进行了

现场监测。分别对炉前(火嘴周围) 、辐射室、对流室等6个点进行了测试, 测试结果见表1和表2。

表1　加热炉热平衡测试时的相关运行数据

检测部位

平均温度

(℃) 117. 556. 545. 5

环境温度

(℃) 222222

温差

(℃) 95. 534. 523. 5

风速

(m/s ) 111

换热系数

(W/(m 2・K ) )

24. 618. 817. 3

热流强度

(W/m 2) 2349. 3

总散热面积

(m 2) 170

总散热损失

(kW ) 102. 5

炉前(火嘴周围) 辐射室对流室

　650. 0　407. 3

　注　在平均温度下的含氧量为5%。

　　由表1可以看出, 加热炉炉前(火嘴周围) 外壁

温度超标, 表明加热炉的保温结构存在问题。

失, 因此, 实际热效率值(87%) 比测算的热效率值

稍低。

・52・油　气　储　运　　

表2　加热炉正反热平衡效率测算数据

2005年　

原油输量

(kg/h ) 150000

原油比热容

(kJ /(kg ・℃) )

2. 03

原油出炉温度

(℃) 60

原油进站温度

(℃) 37

燃油消耗量

(kg/h ) 197

过剩空气系数

1. 29

排烟温度

(℃) 258

环境温度

(℃) 22

燃油低发热值

(kJ/kg ) 42004

加热炉有效利用热量

(kJ/h ) 7003500

加热炉的散热损失

(kJ/h ) 369000

加热炉的输入热量

(kJ /h ) 8274788

炉散热损失

%4. 5

炉排烟损失

%11. 8

正平衡效率

反平衡效率

%83. 7

(3) 加热炉超热负荷运行使排烟温度偏高。

(4) 加热炉低负荷运行时易引起氧化镐指示精

(5) 及时更换不符合要求的燃烧器, 定期清洗火嘴, 保证燃油良好雾化, 燃烧充分。

(6) 定期校验维护氧化镐, 找出加热炉的最佳运行工况, 避免加热炉超负荷或低负荷运行。

(7) 加强加热炉检修质量管理, 保证加热炉不漏风, 耐火纤维衬里不脱落。

参　考　文　献

1, 　钱建华　卜文平:提高输油(气) 管道综合效率技术研讨会论文

度低甚至失灵, 难于精确控制出口蝶阀开度, 导致进风量大, 过剩空气系数偏高。

(5) 加热炉火嘴已运行近6年, 由于长时间燃烧, 造成火嘴形状和尺寸发生改变, 雾化效果不好。

四、改进措施及建议

　　(1) 加强加热炉的管理和操作人员的培训, 提高人员理论水平和操作技能。

(2) 合理地调节油风比例, 在保证加热炉燃烧完全的前提下, 实施低过剩空气系数的燃烧。通常, 管式炉过剩空气系数每降低0. 1, 热效率约提高0. 5%～1%。

(4) 按时进行吹灰作业, 确保排烟温度控制在最佳状态。目前使用的电动旋转式吹灰器耗气量大,

集, 中国石化出版社(北京) ,2003。

2, 　梁　超等:吹灰技术在管道加热炉中的应用, 化工设备与防腐

蚀,2003,20(4) 。

(收稿日期:2004208216)

编辑:仇　斌

文摘(十)

纳米技术在输油气管道中的应用

赵国星　　姜保良

　　介绍了纳米技术的基本概念和特性,

描述了纳米技术在未来管道运行和建设中的应用及发展前景。

第24卷第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　油　气　储　运

　・59・

作　者　介　绍

潘家华　教授级高级工程师,1930年生,1952年毕业于原北洋大学机械系, 历任中国石油天然气管道局总工

梅云新　高级工程师,1952年生,1978年毕业于西南石油学院矿场机械专业, 现任中国石油管道公司科技中

心副总工程师。

黄　坤　副教授,1965年生,1985, 读博士生(在职) , 伍东林　经济师,1969, 现在中油辽河油田分公司销售公司

高发连　,1985年毕业于重庆石油学校输气专业, 石油大学(北京) 油气储运专业在读

工程硕士生, 现在中国石油天然气管道局从事油气储运技术管理工作。

姜笃志　高级工程师,1960年生,1982年毕业于抚顺石油学院储运专业, 一直从事油气管道的设计和工程管

理工作。

孟振虎　副教授,1950年生,1981年毕业于石油大学(山东) 机械系, 获硕士学位, 现在江苏石油化工学院机

械系储运教研室工作。

夏　志　1977年生,2001年毕业于西南石油学院油气储运专业,2004年毕业于石油大学(北京) 油气储运

系, 获硕士学位, 现在中海油研究中心从事油气储运设计工作。

罗旗荣　工程师,1963年生,1989年毕业于中国石油天然气管道局职工学院长输工艺专业, 现在中石化管道

储运公司聊城输油处从事输油工艺管理工作。

陈文国　高级工程师,1967年生,1990年毕业于西南交通大学航地系工程地质和水文地质专业, 现在中国石

油天然气管道工程有限公司从事管道线路工程设计工作。

钱成文　高级工程师,1967年生,1989年毕业于大连大学热能工程专业, 现在中国石油管道公司科技中心从

事油气管道技术信息和战略规划研究工作。

祝龙林　工程师,1968年生,1992年毕业于石油大学(山东) 自动化专业, 现在中石化管道储运公司南京输油

处工作。

黄郑华　副教授,1958年生,1982年毕业于华东理工大学有机化工专业,1997年北京理工大学应用化学专

业研究生班结业。现在中国人民武装警察部队学院消防工程系从事消防工程的研究和教学工作。

段光才　高级工程师,1965年生,1988年毕业于兰州大学物化系, 现在中石化荆门分公司洪湖输油处从事安

全生产管理工作。

尹国耀　教授级高级工程师, 国家级有突出贡献专家,1941年生, 1965年毕业于西安石油学院开发系, 长期

从事管道设计、建设、管理工作, 曾任中国石油西北管道建设指挥部副总工程师。

于　涛　助理工程师,1975年生,1999年毕业于郑州工学院材料科学与工程系, 现在中原油田采油工程技术

研究院电潜泵技术研究所从事技术开发工作。

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加热炉热平衡测试及分析

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