中国油气集输管道加热炉的改造和低碳化运行！

• 花匠小妙招
• 2026-01-03 00:37

超级石化：对加热炉进行提标增效改造对油气集输管道的绿色低碳运行具有重要意义。文章以输送三高原油2 949 t/d的魏荆线为例，从油品性质、加热炉工作原理和炉效率等角度详细分析了管道加热炉的改造效果。结果表明：相比于传统直接式加热炉，真空相变加热炉的炉效率提高12%，平均单耗降低0.098 m3/t，每年节约成本37.15万元；每年减少废气排放112万m3，减排二氧化碳当量(CO2e)236 t，实现了低碳减排目标。

关键词：真空相变加热炉 油气集输 热效率 低碳减排

加热炉是油田生产中提供热量的关键设备，尤其是在油田进入高含水期的稠油开发时和天然气开发中，加热炉显得更为重要。与此同时，加热炉也是油气集输过程中的主要耗能设备和废气排放设备，目前我国各大油田已建的不同类型加热炉有数万台之多，耗能和废气排放量十分惊人。

油田集输常用的加热炉有直接换热式加热炉(简称直接式加热炉)和间接换热式加热炉(简称间接式加热炉)两种。早期主要采用直接式加热炉，这种加热炉直接通过火焰加热炉管中的原油、水、天然气及其混合物等介质，温升快，允许介质压力高，而且加热功率大，但炉管内壁容易结焦、结垢，导致传热系数降低或管壁局部过热，甚至失效发生危险，严重时还可能引发爆管等事故。因此，直接式加热炉逐渐被更换为间接式加热炉。目前油田使用的间接式加热炉主要是水套式加热炉。这种加热炉中，充满被加热介质的盘管浸没在水浴中，通过自然对流换热，传热系数较小，因此炉体钢耗量会比较大，存在氧腐蚀，需要经常补水，并且不能自动调节，容易出现烧高温或加热不足的问题。为解决上述问题，近年来研发了一种性能先进的相变加热炉。该炉型通过热炉火筒(辐射受热面)和烟管(对流受热面)加热中间介质水，使水受热沸腾，由液相变为气相蒸发；水蒸气逐步充满炉体的气相空间，通过盘管与被加热介质进行换热；换热后水蒸气在盘管外壁冷凝，在重力作用下落回水空间循环使用。由于增加了汽化潜热的能力传递，相变加热炉提高了换热效果。自2000年研制投产以来，已先后应用在大庆、长庆、胜利、吉林等十几个油田。与油田使用的同功率水套式加热炉相比，真空相变加热炉占用空间小、换热效率高。

近年来，在“双碳”背景下，中国石油化工行业面临重大变革，必将面临成本、技术、替代能源竞争的诸多挑战，因此重点改造治理能源消耗高、安全隐患大的加热炉迫在眉睫。本文基于魏荆输油管线(简称魏荆线)相变加热炉的成功投用，阐述了原油集输加热炉的改造过程和相变加热炉的应用实例，可为油田加热炉选择提供借鉴经验，也对安全生产、节能和提高生产效率具有非常重要的意义。

1 魏荆线概况

魏荆线输送河南油田的“三高”原油，该原油含蜡高、凝固点高、黏度高，全年都必须进行加热输送，最佳处理及输送温度为62 ℃，常年高温运行。原油物性参数如表1所示。

表1 油品物性

魏荆线共有22台直接式加热炉，2005年在“油改气”工程中有19台加热炉的燃油燃烧器改造为燃气或油气两用燃烧器。由于受传统加热炉结构的限制，油气能耗仍居高不下；在加热炉停炉年检时发现，“油改气”后对加热炉炉体、炉管、天圆地方和烟囱等部位的腐蚀虽然较烧油时有所缓解，但仍然较大，对加热炉安全运行仍构成较大威胁，依然长期困扰着生产。

2 加热炉改造情况

2.1 改造前情况

13号输油站为魏荆线中间加热站，原有2 500 和2 326 kW直接式加热炉各1台，用于管输原油加热。图1为直接式加热炉结构示意。从图1中可以看出，原油由对流室炉管进入辐射室炉管，在辐射室内，燃烧器喷出的火焰主要以辐射方式将热量的一部分辐射到炉管外表面，另一部分辐射到炉管的炉墙上，炉墙再以辐射方式将热辐射到背火面一侧的炉管外表面上。在这两部分辐射热的共同作用下，炉管外表面逐渐升温，并与管壁内表面形成温差，热以传导方式流向管内壁，管内流动的原油又以对流方式不断从管内壁获得热量，实现了加热原油的工艺要求。

图1 直接式加热炉结构示意

原油加热工艺流程如图2所示。原1号炉进、出炉管线设置为双进双出，可以实现正输串/并联、反输串/并联等6种工作方式，正常工作时2台加热炉采用正输并联方式运行，1用1备。管线内原油经1号加热炉加热至62.5 ℃左右后输送至下一站。

2.2 改造后情况

考虑到所输原油的三高特性，对加热炉进行改造时将原1号直接式加热炉改成了一体化真空相变加热炉，其结构如图3所示。新型真空相变加热炉从结构上改变了直接式管式加热炉的换热方式，采用两回程湿背间接加热式结构，主要由盘管、本体、烟囱、烟箱、操作间、燃烧器、火筒、烟管、回烟室、防爆门等组成。炉体分上、下两部分，上部炉体为盘管，下部炉体为燃烧室和回烟室，上、下炉体通过连接件密封连接；其中，上炉体顶部设有注液阀、安全阀，下炉体底部设有排污口，以便定期排出炉体内的沉淀物。

图2 直接式加热炉工艺流程

图3 真空相变加热炉结构工艺

图4(a)～图4(b)是真空相变加热炉的控制工艺和介质流动过程。真空相变加热炉利用水在不同压力下沸腾温度不同的特性，通过沸腾排气法抽出容器内的空气，使炉内的介质只剩下水和饱和蒸汽，炉内压力变为负压[-0.05～-0.01 MPa(表)]。

燃料在燃烧器内充分燃烧，产生的热量经加热炉火筒(辐射受热面)及烟管(对流受热面)传递给锅壳内中间介质——蒸馏水；蒸馏水在负压下受热蒸发形成饱和蒸汽， 通过“蒸发-冷凝-再蒸发-再冷凝”的相变换热方式将热量传递给盘管内的流动介质——油， 使其达到一定温度。当热媒水被加热汽化的速度与蒸汽释放热量给被加热介质后凝结为水的速度达到某一平衡状态时， 加热炉可维持在某一低于当地大气压力的负压状态下稳定工作。这种间接换热方式可使其热效率超出95%， 远远高于传统直接加热炉最高炉效，能有效减少氮氧化物和二氧化碳排放， 使长输原油管道加热输送更安全、 更经济、 更高效、 更环保。

3 现场应用效果

改造完成并稳定运行1年后，从装置负荷、加热效率、能源消耗等方面对加热炉改造效果进行了综合评价，整体工艺数据见表2。从运行情况来看，基本达到了加热炉改造的预期目标，其中，加热炉热效率从原来的82%提高至目前的94%，提高了12%；排烟温度降低了35 ℃；较原2326 kW加热炉，真空相变加热炉平均单耗降低了0.098 m3。

表2 加热炉改造前后关键参数对比

图4 真空相变加热炉结构工艺和烟气流动方向

3.1 原油加热效果

表3是加热炉改造前后稳定运行时不同位置处的参数检测结果。

从表3中可以看出，改造后阀室出口温度降低了1.4～2.3 ℃，炉子出口温度降低了4 ℃，说明油、水两相换热过程中的换热效率大幅提高。图5是相变加热炉体系输入热量与输出热量的热量平衡图，图中Qa是空气输入的显热，Qg、Qf分别为燃料气的显热和潜热，Qm是设备输入能量对应的热量；Q1是被加热介质取走的热量，为有效利用热量，Q2、Q3、Q4、Q5分别是烟气排放热损失、燃料气未完全燃烧热损失、表面散热损失和设备损失能量对应的热损失。

当加热炉处于稳定运行状态时，输入的总热量与输出的总热量相等，被加热介质(油)取走的热量与输入总热量的比值为热效率。根据此方法计算，改造前、后加热炉的热效率分别是82%和94%。第三方机构对改造后的真空相变加热炉进行了能效测试，测试结果表明，真空相变加热炉的热效率为96.62%，进一步验证了上述计算方法的可行性。

图5 真空相变加热炉热量平衡

通过计算发现，烟气排放热损失在加热炉各项热损失中占比最大，烟气排放温度和排放量是决定该部分损失的主要因素。这与文献【4】中的研究结果相同。文献【4】显示，烟气温度每升高15～20 ℃，排烟损失率约增加一个百分点，热效率大约降低1%。由此可见，降低烟气排放温度是提高加热炉热效率的有效途径。

表3 加热炉改造前后运行参数对比

3.2 燃料消耗情况

13号输油站的管线输油量为2949 t/d。新型真空相变加热炉通过提高加热效率、控制空燃比，减少了燃料气用量，根据实际运行情况发现，天然气年消耗量从180.7万m3下降至169.9万m3，年节约天然气量达10.8万m3，节约用气量约6%。

3.3 烟道余热利用

新型真空相变加热炉采用半冷凝烟气余热回收技术，充分回收烟气余热，提升热效率。一方面可以利用烟道余热加热站内原油管道的伴生水，另一方面可以将加热炉进风温度由常温提升至 70 ℃以上，改造后，烟道出口烟气温度从改造前的 135 ℃降低至100 ℃。

3.4 效益情况

在真空相变加热炉密封严密、设备稳定运行、真空度保持良好的状态下(一般稳定在-58 kPa左右)，经测算，其炉效在94%左右，较原2 326 kW直接式加热炉可节约天然气10.8万m3/a，节约成本37.15万元/a，经济效益显著。

改造前后数据对比结果显示，13号输油站每年节约天然气约10.8万m3，可减少废气排放约112万m3，同时可减排CO2e约236 t/a，环保效益显著。

真空相变加热炉的炉管浸没在炉膛的蒸馏水中，不与燃烧器火焰直接接触，烟管采用耐硫酸低温露点腐蚀的ND钢，彻底解决了炉管结焦问题和冷凝水对炉管、烟管造成腐蚀的问题。其在微负压工况下工作，不会发生爆炸事故，即使炉管发生原油泄漏，也不会与火焰直接接触而发生燃烧，避免了次生灾害；同时，该型加热炉设有完善的控制与保护措施，抗冷凝水腐蚀能力强；且热媒介质封闭循环，不结垢、无氧腐蚀，提高了使用寿命，安全效益显著。

4 结论

13号输油站采用真空相变加热炉对三高原油的集输系统进行了低碳化改造，从多年稳定运行情况来看，达到了预期目标，即提高炉效率12%，节约天然气用量6%，同时，减少了废气和碳的排放，具体结论如下：

1) 真空相变加热炉通过增加潜热换热提高了换热效率，在输油量为2 949 t/d的三高原油加热过程中，相比传统直接式加热炉，炉效率从82%提高至94%，平均燃料单耗从1.675 m3/t降低至1.577 m3/t，年节约用气量6%，节省成本37.15万元。

2) 在本文所述的操作条件下，真空相变加热炉每年减少废气排放112万m3，同时减排二氧化碳当量(CO2e)236 t，实现了低碳减排目标。

3) 真空相变加热炉在负压密闭环境下进行热交换，且火焰与炉管分离，不仅延长了使用寿命，而且彻底杜绝了炉管穿孔漏油、着火及爆炸事故的发生。

本届大会初步议程

参会说明：技术装备服务商3800元/人、油气田、炼油石化、煤化工、化工等生产企业免费

参会咨询:超级石化

以可靠性为中心的维修与智能运维技术

01.韩建宇 中国石油化工集团有限公司高级专家

设备一体化智能监测诊断发展

02.李迎丽 中国石油天然气集团有限公司设备专家

论保冷的重要性与非开挖管道修复

03.浙江鹏飞绝热安装有限公司

高品质绝热材料 助力石油化工高质量发展

04.熊建新 中国石油化工集团有限公司高级专家

油转化形势下新建开车的催化裂化装置

05.谢国学 中国石化工程部首席专家

ASPEN工业AI和机器学习提升资产可用性和绩效管理

06.艾斯本技术有限公司

智能化助力长庆石化设备检维修管理提升

07.赵 飞 中国石油长庆石化分公司总经理助理

金属3D打印技术在石化领域的应用研究

08.王存智 中国石化工程建设有限公司(SEI)正高/首席专家

苛刻工况下关键阀门失效分析、故障预测及智能防控技术

09.王 渭 中国机械工业集团有限公司首席专家、教高

数字孪生技术在化工设备检修维护的应用和未来：透明、安全与效率

10.北京达美盛软件股份有限公司

炼化企业大检修同步技改项目管理体系建设及运作探讨

11.董开河 中海石油宁波大榭石化有限公司机械动力部副经理

设备可靠性管理

12.亓 潇 中海壳牌石油化工有限公司设备可靠性主任

化工企业设备运维数字化转型全栈解决方案

13.蔡 英 中机维协石油石化建安检维修协会专 家

题目待定

14.天津长瑞大通流体控制系统有限公司

采用撞击声波技术，炼油烟气催化剂颗粒物浓度及粒度在线测量

15.武汉龙潭胜利科技发展有限公司

百年福伊特助力机泵节能增效

16.福伊特驱动技术系统(上海)有限公司电力及油气服务

石油化工项目建设期设备全生命周期包机管理探索

17.王 超 中国石油广东石化分公司化工二部设备经理/高工

参会咨询:超级石化

往复式压缩机的标准化安装与试运

01.赵 岩 中海石油炼化有限责任公司高级顾问

如何提高石化企业仪表设备运行可靠性

02.陈文勇 福建炼油化工有限公司 副处长

数质为先--石化行业设备监测解决方案

03.苏州德姆斯信息技术有限公司

题目待定

04.中船集团/哈尔滨广瀚动力/蔚蓝传动

炼油化工一体化项目检修过程质量信息化管理

05.胡圣忠 中科（广东）炼化有限公司高级专家/副经理

动设备在线监测浅析

06.李 立 中石化广州工程有限公司技术副总监，正高

打造“专业+智慧+精益”的运维检修信息平台

07.上海安恪技术股份有限公司-安恪济南（JIT）-研发中心（DC）

底层构架+智能数据服务：打通智能运维的最后一公里

08.硕橙（厦门）科技有限公司

在新形势下石油炼化关键机组出现故障该何去何从

09.广州仓韬机电技术有限公司

石油石化企业设备可靠性数据库建设创新与实践

10.石 帅 中海油安全技术服务有限公司咨询事业部高工/副经理

数字化赋能设备智能运维、全力提升设备预知性检修水平

11.邱学东 中国石化广州分公司公司高级专家/设备技术支持中心主任

面向全生命周期健康管理的石化设备智能运维解决方案创新与实践

12.重庆川仪自动化股份有限公司 首席设计师，重庆川仪软件有限公司

激光增材技术在石化行业的实际应用

13.东莞市华鑫激光科技有限公司

如何提高石化企业动设备运行可靠性

14.卞 勇 福建古雷石化有限公司设备管理主管

题目待定

15.中国石化茂名分公司

加强精细化管理，夯实仪控管理根基

16.赵庆林 中海油惠州炼化分公司

设备智能运维，助力预知性检修

17.张翼飞 中国石油广东石化分公司炼油二部 高 管

高温双支撑离心泵机械密封失效分析及应对措施的探讨

18.王武凤 山东华星石油化工集团有限公司高工/设备工程师

浅谈智慧运维的基础

19.王少勇 中海油惠州炼化分公司仪表专家

题目待定

20.中科（广东）炼化有限公司

参会咨询:超级石化

探讨装置检维修开停工设备损伤风险的防范

01.刘小辉 中国石油化工集团有限公司高级专家

特种设备腐蚀早期检测技术及其应用

02.赵 博 中国特种设备检测研究院教高/二级学科首席

储罐密闭切水系统

03.广州天禾自动化实业有限公司

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04.深圳市行知行机器人技术有限公司石化部

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06.王金光 中国石化工程建设有限公司技术总监/教高

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16.梁自生 中国石化广州分公司设备部 科 长

炼化装置静设备腐蚀监控信息化

17.韩 磊 中石化安全工程研究院有限公司腐蚀防护专家

题目待定

18.梁海明 中科（广东）炼化有限公司设备工程部主 管

炼化企业设备智能防腐蚀管理平台开发及应用

19.张宏飞 中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心专业副总工

液化气管道腐蚀泄漏及控制综合分析

20.杨淦茗 中石化湖南石油化工有限公司储运部设备管理工程师

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01.孟 剑 中国石化青岛炼化公司 教高/炼油设备高级专家

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02.昆山威胜达环保设备有限公司威胜达油品事业部总监

化工企业设备润滑数字化管理系统解决方案

03.马 彦 原中国兵器工业集团北方华锦集团设备部润滑油管理中心处长

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04.北京润道油液监测技术有限公司

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06.钱广华 原中国石化天津分公司化工部教高/设备专家

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08.魏 巍 中国石化天津分公司炼油部高 工

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09.闫俊杰 中国石化催化剂有限公司长岭分公司新材联合车间高工/设备副主任

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01.赖文川 中石油华东设计院有限公司自控专业副总工程师

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02.上海开维喜阀门有限公司

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03.上海板换机械设备有限公司

题目待定

04.纽威工程服务（苏州）有限公司

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仪表及控制系统预防性维护技术

06.曹德舜 中石化安全工程研究院有限公司专 家

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07.上海纽京阀门有限公司

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08.中石化广州工程有限公司

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09.李 莉 中海油气（泰州）石化有限公司高级工程师，注册安全工程师

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