郭 韻，曹偉武，錢(qián)尚源，嚴(yán) 平

（1上海理工大學(xué)，上海 200093；2上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

研究開(kāi)發(fā)

不同中間載熱介質(zhì)天然氣加熱爐的研究

郭 韻1,2，曹偉武2，錢(qián)尚源2，嚴(yán) 平2

（1上海理工大學(xué)，上海 200093；2上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

天然氣加熱爐是采用中間載熱介質(zhì)間接加熱的一種特殊的爐型形式，中間載熱介質(zhì)的性質(zhì)及其傳熱過(guò)程的形成是影響天然氣加熱爐效率的重要關(guān)鍵因素。本文通過(guò)天然氣加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)大筒體內(nèi)水和乙二醇兩種不同中間載熱介質(zhì)的溫度分布和熱流場(chǎng)進(jìn)行了分析比較，研究不同中間載熱介質(zhì)對(duì)天然氣加熱爐換熱的影響，并結(jié)合工程實(shí)際的需要，從中間載熱介質(zhì)的選擇和加熱爐整體傳熱結(jié)構(gòu)兩方面，提出了改善天然氣加熱爐效率的有效途徑，并獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。

天然氣加熱爐；載熱介質(zhì)；乙二醇；試驗(yàn)系統(tǒng)

在天然氣開(kāi)采和輸送過(guò)程中，為防止由于天然氣溫度過(guò)低而導(dǎo)致其中含有的水合物析出凝結(jié)成固體，堵住管道設(shè)備，引起事故，需要加熱[1]；在天然氣應(yīng)用過(guò)程中，往往需要對(duì)其減壓，當(dāng)壓降較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致天然氣溫降過(guò)大，為滿(mǎn)足燃燒需要以及提高效率等工藝要求，需要加熱[2]；此外，在液化天然氣（LNG）輸配應(yīng)用系統(tǒng)中，要使 LNG氣化，也需要加熱。

因此，天然氣加熱爐是天然氣供應(yīng)流程中不可缺少的重要裝備，應(yīng)用面廣且量大，設(shè)計(jì)制造高效節(jié)能的天然氣加熱爐極為重要。

1 天然氣加熱爐的特殊結(jié)構(gòu)

天然氣加熱爐的加熱對(duì)象是需要升溫的天然氣，且往往是中壓或高壓的原料天然氣。原料天然氣本身易燃易爆，為安全起見(jiàn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不準(zhǔn)用明火或煙道氣直接加熱，而必須通過(guò)中間載熱介質(zhì)間接加熱天然氣。

因此，天然氣加熱爐通常采用整體組裝式結(jié)構(gòu)，在一個(gè)大直徑的大容積筒體內(nèi)布置火筒、煙管束等加熱受熱面和對(duì)流管束等冷卻受熱面，加熱和冷卻受熱面以大筒體圓截面中心軸呈軸對(duì)稱(chēng)布置，且都浸沒(méi)于中間載熱介質(zhì)中，如圖1所示。加熱爐工作時(shí)，燃料氣和空氣由燃燒器混合后噴入大筒體下部一側(cè)的火筒燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔猓瑹煔饨?jīng)火筒流入大筒體下部另一側(cè)的煙管束，最后經(jīng)煙囪排入大氣。由于火筒、煙管束和對(duì)流管束均浸沒(méi)在中間載熱介質(zhì)中，高溫?zé)煔鈱崃客ㄟ^(guò)火筒壁和煙管壁傳遞給中間載熱介質(zhì)，中間載熱介質(zhì)再將大部分熱量通過(guò)對(duì)流管束壁傳遞給被加熱天然氣。所以在該過(guò)程中，中間載熱介質(zhì)的選擇及其傳熱過(guò)程的形成，是影響天然氣加熱爐效率的重要環(huán)節(jié)[3]。

圖1 天然氣加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 中間載熱介質(zhì)的選擇

對(duì)于利用中間載熱介質(zhì)作為傳遞熱量載體的天然氣加熱爐，中間載熱介質(zhì)的選擇非常重要。而中間載熱介質(zhì)的選擇主要取決于操作溫度，即加熱或冷卻所要達(dá)到的溫度，同時(shí)還要考慮溫度調(diào)節(jié)的方便以及載熱介質(zhì)的比熱容、蒸氣壓、沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)、熱穩(wěn)定性、毒性、腐蝕性和價(jià)格等因素[4]。其中，傳熱性能的好壞、適用的壓力和溫度范圍，決定了天然氣加熱爐效率的高低和適用范圍。

目前，油氣田加熱爐多采用水作為大筒體內(nèi)的中間載熱介質(zhì)來(lái)傳遞熱量，俗稱(chēng)水套爐[5-7]。眾所周知，水具有良好的傳熱特性，并且不燃燒，價(jià)格低廉。但受加熱穩(wěn)定性較差及大氣壓下飽和溫度低的制約，使用受到一定的限制。近年來(lái)，乙二醇作為中間載熱介質(zhì)常出現(xiàn)在工程實(shí)際中[8-10]，它是一種無(wú)色透明糖漿狀液體，適用的壓力和溫度范圍較寬，性質(zhì)也相對(duì)穩(wěn)定。本文作者結(jié)合工程實(shí)際的需要，對(duì)大筒體內(nèi)水和乙二醇這兩種中間載熱介質(zhì)的溫度分布進(jìn)行分析比較，研究不同中間載熱介質(zhì)對(duì)天然氣加熱爐換熱的影響，進(jìn)而提出改善的有效途徑。

3 天然氣加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)

天然氣加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)由加熱爐本體、燃?xì)馊紵骱图訜嵯到y(tǒng)、被加熱系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，試驗(yàn)系統(tǒng)精度達(dá) 99.5%。其中，加熱爐本體為一臺(tái)130 kW的實(shí)物天然氣加熱爐，在加熱爐大筒體上設(shè)計(jì)了多個(gè)人孔[11]，方便對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)實(shí)施改造，進(jìn)行天然氣加熱爐的一系列研究，如圖 2(a)所示。

溫度測(cè)量是本研究的一個(gè)關(guān)鍵，除了在大筒體外壁面、煙箱、排煙管出口以及被加熱天然氣進(jìn)出口處布置了溫度測(cè)點(diǎn)，還在大筒體中心圓截面D上布置了一個(gè)八頭 WRNK型鎧裝熱電偶和一個(gè)單頭WRNK型鎧裝熱電偶，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2(b)所示。其中，測(cè)點(diǎn)0位于截面圓心處；測(cè)點(diǎn)1布置在大筒體左側(cè)的對(duì)流管束第三管程區(qū)域，測(cè)點(diǎn)2位于大筒體右側(cè)的對(duì)流管束第二管程區(qū)域，測(cè)點(diǎn)3布置在大筒體左側(cè)的對(duì)流管束第四管程區(qū)域，測(cè)點(diǎn)4位于大筒體右側(cè)的對(duì)流管束第一管程區(qū)域；測(cè)點(diǎn)5布置在煙管上方，測(cè)點(diǎn)6布置在火筒上方，測(cè)點(diǎn)7布置在煙管下部，測(cè)點(diǎn)8在大筒體的底部。

圖2 天然氣加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)

4 試驗(yàn)方案

根據(jù)研究需要，分別選用水和乙二醇為載熱介質(zhì)。由于乙二醇價(jià)格相對(duì)較高，為避免造成浪費(fèi)，先對(duì)水進(jìn)行試驗(yàn)。考慮到乙二醇的膨脹性，加熱爐內(nèi)加入的乙二醇溶液要少于其容量的 5%以上，以防止溫度升高介質(zhì)外溢。

鑒于大筒體內(nèi)中間載熱介質(zhì)容量較大，試驗(yàn)時(shí)，大筒體內(nèi)溫度始終在變，為判斷試驗(yàn)工況是否達(dá)到穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，必須確定判斷標(biāo)準(zhǔn)。多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)：截面D圓心處的測(cè)點(diǎn)0的重復(fù)性和一致性都很好，可以作為判斷加熱爐運(yùn)行準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的基準(zhǔn)點(diǎn)，定義為加熱爐中心溫度。當(dāng)監(jiān)測(cè)到加熱爐中心溫度維持在某一恒定值，其波動(dòng)范圍在±0.1℃內(nèi)時(shí)，認(rèn)為達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定工況，此時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集記錄。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 不同中間載熱介質(zhì)的筒內(nèi)溫度分布

圖3(a)是燃料量為8 m3/h，中間載熱介質(zhì)分別為水和乙二醇時(shí)截面D上各測(cè)點(diǎn)的溫度分布圖。圖3(b)是燃料量為16 m3/h，中間載熱介質(zhì)分別為水和乙二醇時(shí)截面D上各測(cè)點(diǎn)的溫度分布圖。

從圖3中可見(jiàn)，無(wú)論中間載熱介質(zhì)是水還是乙二醇，截面上各對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的溫度分布趨勢(shì)基本一致，截面的垂直和水平方向上有明顯的溫度分層現(xiàn)象。最高溫度均出現(xiàn)在位于火筒上方的測(cè)點(diǎn)6，其次為煙管外壁附近的測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)7，說(shuō)明溫度較高的載熱介質(zhì)主要分布在火筒和煙管外壁面附近及頂部。布置在對(duì)流管束附近的測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)較低，且分布在4個(gè)管程區(qū)域的測(cè)點(diǎn)之間存在一定溫度差。最低溫度始終位于大筒體底部的測(cè)點(diǎn)8處，在接近大筒體底部的區(qū)域，空間較窄，大筒體內(nèi)壁導(dǎo)熱層與火筒和煙管外壁導(dǎo)熱層重疊，形成純導(dǎo)熱區(qū)，成為流動(dòng)死角，因此該區(qū)域的溫度最低，測(cè)點(diǎn)8的溫度比其它區(qū)域的溫度要低5～15 ℃。試驗(yàn)結(jié)果顯示，貼近火筒和煙管束壁面的載熱介質(zhì)溫度較高，因此將形成上升流，而對(duì)流管束附近的載熱介質(zhì)溫度相對(duì)較低，則將形成下降流，由于加熱和冷卻受熱面以圓截面的水平直徑對(duì)稱(chēng)布置，之間沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐ǖ?，?dǎo)致這二股流動(dòng)將發(fā)生碰撞而無(wú)法形成循環(huán)；以圓截面垂直直徑對(duì)稱(chēng)布置的火筒和煙管束之間，

圖3 不同中間載熱介質(zhì)截面D上的溫度分布

以及對(duì)流管束的各管程之間由于溫差，也會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)的對(duì)沖。在整個(gè)流場(chǎng)中，還存在著不少流動(dòng)死角，如大筒體底部等。因此，天然氣加熱爐內(nèi)加熱和冷卻受熱面對(duì)稱(chēng)布置的結(jié)構(gòu)造成中間載熱介質(zhì)流動(dòng)不暢，導(dǎo)致其傳熱效果大大下降，從而使天然氣加熱爐效率降低，能耗高。

從圖3還可看出，當(dāng)天然氣加熱爐穩(wěn)定傳熱時(shí)，在同樣條件下乙二醇的各測(cè)點(diǎn)溫度比水的溫度高10～30 ℃。圖3(a)中，燃料量為8 m3/h，乙二醇的中心溫度達(dá)89.5 ℃，而水的中心溫度只有75 ℃；如圖3(b)中，燃料量為16 m3/h，乙二醇的中心溫度達(dá)110.5 ℃，而水的中心溫度只有84.4 ℃，這是因?yàn)樗谋葻崛萘勘纫叶几叩枚喽鴮?dǎo)致的。由于乙二醇具有沸點(diǎn)高、蒸汽氣壓低的優(yōu)點(diǎn)[12]，能在更寬的溫度范圍內(nèi)工作。但是，在接近大筒體底部的局部區(qū)域，乙二醇的溫度（測(cè)點(diǎn) 8）相對(duì)于其它測(cè)點(diǎn)溫度，要低很多，這是因?yàn)橐叶嫉酿ざ容^大，削弱了浮升力的作用，更容易形成流動(dòng)死角。

5.2 不同中間載熱介質(zhì)加熱爐的熱效率

圖4是燃料量分別為8 m3/h、10 m3/h、12 m3/h、14 m3/h、16 m3/h，中間載熱介質(zhì)為水和乙二醇時(shí)天然氣加熱爐的運(yùn)行熱效率。

圖4 不同中間載熱介質(zhì)加熱爐熱效率

如圖4所示，隨著燃料量的增加，天然氣加熱爐熱效率逐漸提高，載熱介質(zhì)為水時(shí)，當(dāng)燃料量增加到10 m3/h，加熱爐熱效率達(dá)到峰值，載熱介質(zhì)為乙二醇時(shí)，加熱爐熱效率達(dá)到峰值時(shí)的燃料量為12 m3/h，燃料量繼續(xù)增加，加熱爐熱效率反而下降，這是因?yàn)楫?dāng)燃料量過(guò)大，相應(yīng)的排煙熱損失增加。反之，當(dāng)燃料量過(guò)小時(shí)，筒壁熱損失增加，也將導(dǎo)致加熱爐運(yùn)行熱效率下降。

增大傳熱溫差是強(qiáng)化傳熱的方法之一。本研究中傳熱溫差主要由被加熱天然氣和中間載熱介質(zhì)的溫度決定，其中被加熱天然氣的溫度由生產(chǎn)工藝決定，不能隨意變動(dòng)，而載熱介質(zhì)的溫度則與所選載熱介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。如前所述，當(dāng)天然氣加熱爐穩(wěn)定傳熱時(shí)，在同樣條件下乙二醇的各測(cè)點(diǎn)溫度均比水的溫度高，也就是說(shuō)，在所有對(duì)應(yīng)工況下，介質(zhì)乙二醇的工作溫度明顯要高于介質(zhì)水的工作溫度。以水為中間載熱介質(zhì)時(shí)的工作溫度不高，造成載熱介質(zhì)水與被加熱天然氣之間的溫壓較小，從而降低了傳熱效率；中間載熱介質(zhì)為乙二醇時(shí)工作溫度較高，最高可達(dá)170 ℃，與被加熱天然氣的溫壓相對(duì)較大，傳熱效率提高，從而加熱爐運(yùn)行效率相對(duì)更高。因此，如圖4所示，在相同試驗(yàn)工況下，采用乙二醇時(shí)的加熱爐運(yùn)行熱效率均要比采用水時(shí)的高。這也是利用乙二醇作為中間載熱介質(zhì)的重要原因之一。

在保持系統(tǒng)常壓狀態(tài)下，乙二醇能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。但由于前述天然氣加熱爐常規(guī)結(jié)構(gòu)上的限制以及乙二醇黏性大等原因，不利于有效傳熱流場(chǎng)形成，因此，通常情況下其熱效率小于87%。如果能在加熱爐傳熱元件的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改良，將有利于提高天然氣加熱爐的熱效率和擴(kuò)大適用范圍。

6 天然氣加熱爐傳熱元件的優(yōu)化

針對(duì)天然氣加熱爐傳熱結(jié)構(gòu)上的不足，以及中間載熱介質(zhì)乙二醇黏性較大的特性，提出一種帶隔板的新型結(jié)構(gòu)，即采用在大筒體內(nèi)加裝導(dǎo)流板組織流場(chǎng)的方法，使中間載熱介質(zhì)形成有組織的流動(dòng)，從而充分利用加熱和冷卻受熱面，達(dá)到提高天然氣加熱爐效率的目的。

導(dǎo)流板的設(shè)置，合理分隔火筒、煙管束和對(duì)流管束之間中間載熱介質(zhì)的流動(dòng)區(qū)域，迫使吸收高溫?zé)煔鉄崃康闹虚g載熱介質(zhì)順著導(dǎo)流板方向向上流動(dòng)，經(jīng)過(guò)對(duì)流管束放熱后，沿導(dǎo)流板另一側(cè)向下流動(dòng)，形成循環(huán)均勻的流場(chǎng)。導(dǎo)流板起到了使流場(chǎng)整體有效順暢流動(dòng)的效果。如圖5所示，火筒和煙管束周?chē)纳仙髟陔p導(dǎo)流板的引導(dǎo)下，分別流經(jīng)各自上方的對(duì)流管束放熱后，向下回流到火筒和煙管束周?chē)?，從而在大筒體內(nèi)形成由中間向上再經(jīng)兩側(cè)向下回流的雙循環(huán)流場(chǎng)[13]。

圖5 導(dǎo)流型天然氣加熱爐熱流場(chǎng)分布圖

通過(guò)加裝導(dǎo)流板，引導(dǎo)中間載熱介質(zhì)在大筒體中形成整體有組織的順暢流動(dòng)，消除熱流場(chǎng)死角，有效促使靠近壁面的熱邊界層變薄，從而提高了傳熱效率。對(duì)于黏性較大的流體，如乙二醇，尤其需要這種導(dǎo)流式的強(qiáng)化傳熱方式。所以，就天然氣加熱爐的特殊傳熱結(jié)構(gòu)和載熱介質(zhì)乙二醇特性而言，在大筒體內(nèi)加裝導(dǎo)流板是一種有效的強(qiáng)化換熱手段，研究表明，加熱爐效率可提高3%[14]。

7 結(jié) 論

（1）天然氣加熱爐加熱和冷卻受熱面對(duì)稱(chēng)布置的結(jié)構(gòu)不利于傳熱流場(chǎng)的形成，造成天然氣加熱爐熱效率低（小于87%），能耗高。

（2）通過(guò)對(duì)水和乙二醇兩種中間載熱介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)比較，顯然在常壓下乙二醇的工作溫度要比水的工作溫度范圍寬。但由于其黏性大，削弱了浮升力的作用，更容易形成流動(dòng)死角。

（3）對(duì)于天然氣加熱爐而言，乙二醇作為載熱介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)主要取決于其操作溫度和加熱爐傳熱元件的設(shè)計(jì)。

（4）設(shè)置導(dǎo)流板能優(yōu)化整體傳熱結(jié)構(gòu)，使大筒體內(nèi)形成有效順暢的流場(chǎng)，簡(jiǎn)單而有效，尤其對(duì)于乙二醇這種黏性大的中間載熱介質(zhì)，能夠促進(jìn)對(duì)流換熱，提高傳熱效率，降低能耗。

（5）導(dǎo)流型乙二醇天然氣加熱爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，啟動(dòng)快，效益明顯，可在短期內(nèi)回收投資，易推廣使用，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

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Investigation on natural gas heater w ith different heat-transfer medium

GUO Yun1,2，CAO Weiwu2，QIAN Shangyuan2，YAN Ping2
（1University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2College of Mechanical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

As a special type of furnace，the natural gas heater adopts the indirect heating by the heat-transfer medium. Apparently，the properties of the heat-transfer medium and the form of heat transfer process of the heat-transfer medium in the cylinder are the key elements that greatly affect the thermal efficiency of natural gas heater. Analysis and comparison of the temperature distribution and flow condition between the water and ethylene glycol in the cylinder were carried out by experimental investigations. Based on the investigations on medium selection and heater’s integral structure and combining w ith the engineering practical needs，effective measures to improve the efficiency of natural gas heaters have been brought forward in this article and the technology has got itself the China invention patents．

natural gas heater；heat-transfer medium；ethylene glycol；experimental system

TE 963

A

1000-6613（2012）06-1206-05

2012-03-20；修改稿日期：2012-03-29。

上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（P1401）及上海市科委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（72112015）。

及聯(lián)系人：郭韻（1976—），女，博士，副教授，現(xiàn)主要從事天然氣加熱技術(shù)的研究。E-mail graceguo1977@126.com。