郭 韻，曹偉武，錢尚源，嚴 平

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

研究開發(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，錢尚源2，嚴 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。本文通過天然氣加熱爐試驗系統(tǒng)對大筒體內(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進行了分析比較，研究不同中間載熱介質(zhì)對天然氣加熱爐換熱的影響，并結(jié)合工程實際的需要，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，并獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)。

天然氣加熱爐；載熱介質(zhì)；乙二醇；試驗系統(tǒng)

在天然氣開采和輸送過程中，為防止由于天然氣溫度過低而導(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)用過程中，往往需要對其減壓，當(dāng)壓降較大時會導(dǎo)致天然氣溫降過大，為滿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，相關(guān)標準規(guī)定不準用明火或煙道氣直接加熱，而必須通過中間載熱介質(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稱布置，且都浸沒于中間載熱介質(zhì)中，如圖1所示。加熱爐工作時，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、煙管束和對流管束均浸沒在中間載熱介質(zhì)中，高溫?zé)煔鈱崃客ㄟ^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對流管束壁傳遞給被加熱天然氣。所以在該過程中，中間載熱介質(zhì)的選擇及其傳熱過程的形成，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到的溫度，同時還要考慮溫度調(diào)節(jié)的方便以及載熱介質(zhì)的比熱容、蒸氣壓、沸點、凝固點、熱穩(wěn)定性、毒性、腐蝕性和價格等因素[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)來傳遞熱量，俗稱水套爐[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，乙二醇作為中間載熱介質(zhì)常出現(xiàn)在工程實際中[8-10]，它是一種無色透明糖漿狀液體，適用的壓力和溫度范圍較寬，性質(zhì)也相對穩(wěn)定。本文作者結(jié)合工程實際的需要，對大筒體內(nèi)水和乙二醇這兩種中間載熱介質(zhì)的溫度分布進行分析比較，研究不同中間載熱介質(zhì)對天然氣加熱爐換熱的影響，進而提出改善的有效途徑。

3 天然氣加熱爐試驗系統(tǒng)

天然氣加熱爐試驗系統(tǒng)由加熱爐本體、燃氣燃燒器和加熱系統(tǒng)、被加熱系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，試驗系統(tǒng)精度達 99.5%。其中，加熱爐本體為一臺130 kW的實物天然氣加熱爐，在加熱爐大筒體上設(shè)計了多個人孔[11]，方便對設(shè)備結(jié)構(gòu)實施改造，進行天然氣加熱爐的一系列研究，如圖 2(a)所示。

溫度測量是本研究的一個關(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出口處布置了溫度測點，還在大筒體中心圓截面D上布置了一個八頭 WRNK型鎧裝熱電偶和一個單頭WRNK型鎧裝熱電偶，共9個測點，如圖2(b)所示。其中，測點0位于截面圓心處；測點1布置在大筒體左側(cè)的對流管束第三管程區(qū)域，測點2位于大筒體右側(cè)的對流管束第二管程區(qū)域，測點3布置在大筒體左側(cè)的對流管束第四管程區(qū)域，測點4位于大筒體右側(cè)的對流管束第一管程區(qū)域；測點5布置在煙管上方，測點6布置在火筒上方，測點7布置在煙管下部，測點8在大筒體的底部。

圖2 天然氣加熱爐試驗系統(tǒng)

4 試驗方案

根據(jù)研究需要，分別選用水和乙二醇為載熱介質(zhì)。由于乙二醇價格相對較高，為避免造成浪費，先對水進行試驗?？紤]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，試驗時，大筒體內(nèi)溫度始終在變，為判斷試驗工況是否達到穩(wěn)定或準穩(wěn)定狀態(tài)，必須確定判斷標準。多次測試發(fā)現(xiàn)：截面D圓心處的測點0的重復(fù)性和一致性都很好，可以作為判斷加熱爐運行準穩(wěn)定狀態(tài)的基準點，定義為加熱爐中心溫度。當(dāng)監(jiān)測到加熱爐中心溫度維持在某一恒定值，其波動范圍在±0.1℃內(nèi)時，認為達到準穩(wěn)定工況，此時開始數(shù)據(jù)采集記錄。

5 試驗結(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截面D上各測點的溫度分布圖。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截面D上各測點的溫度分布圖。

從圖3中可見，無論中間載熱介質(zhì)是水還是乙二醇，截面上各對應(yīng)測點的溫度分布趨勢基本一致，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點6，其次為煙管外壁附近的測點5和測點7，說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。布置在對流管束附近的測點溫度相對較低，且分布在4個管程區(qū)域的測點之間存在一定溫度差。最低溫度始終位于大筒體底部的測點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)，成為流動死角，因此該區(qū)域的溫度最低，測點8的溫度比其它區(qū)域的溫度要低5～15 ℃。試驗結(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，而對流管束附近的載熱介質(zhì)溫度相對較低，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稱布置，之間沒有適當(dāng)?shù)耐ǖ?，?dǎo)致這二股流動將發(fā)生碰撞而無法形成循環(huán)；以圓截面垂直直徑對稱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

以及對流管束的各管程之間由于溫差，也會出現(xiàn)流動的對沖。在整個流場中，還存在著不少流動死角，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稱布置的結(jié)構(gòu)造成中間載熱介質(zhì)流動不暢，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，在同樣條件下乙二醇的各測點溫度比水的溫度高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110.5 ℃，而水的中心溫度只有84.4 ℃，這是因為水的比熱容量比乙二醇高得多而導(dǎo)致的。由于乙二醇具有沸點高、蒸汽氣壓低的優(yōu)點[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（測點 8）相對于其它測點溫度，要低很多，這是因為乙二醇的黏度較大，削弱了浮升力的作用，更容易形成流動死角。

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)為水和乙二醇時天然氣加熱爐的運行熱效率。

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，當(dāng)燃料量增加到10 m3/h，加熱爐熱效率達到峰值，載熱介質(zhì)為乙二醇時，加熱爐熱效率達到峰值時的燃料量為12 m3/h，燃料量繼續(xù)增加，加熱爐熱效率反而下降，這是因為當(dāng)燃料量過大，相應(yīng)的排煙熱損失增加。反之，當(dāng)燃料量過小時，筒壁熱損失增加，也將導(dǎo)致加熱爐運行熱效率下降。

增大傳熱溫差是強化傳熱的方法之一。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，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，在同樣條件下乙二醇的各測點溫度均比水的溫度高，也就是說，在所有對應(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)為乙二醇時工作溫度較高，最高可達170 ℃，與被加熱天然氣的溫壓相對較大，傳熱效率提高，從而加熱爐運行效率相對更高。因此，如圖4所示，在相同試驗工況下，采用乙二醇時的加熱爐運行熱效率均要比采用水時的高。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)計上進行改良，將有利于提高天然氣加熱爐的熱效率和擴大適用范圍。

6 天然氣加熱爐傳熱元件的優(yōu)化

針對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)流板組織流場的方法，使中間載熱介質(zhì)形成有組織的流動，從而充分利用加熱和冷卻受熱面，達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、煙管束和對流管束之間中間載熱介質(zhì)的流動區(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，經(jīng)過對流管束放熱后，沿導(dǎo)流板另一側(cè)向下流動，形成循環(huán)均勻的流場。導(dǎo)流板起到了使流場整體有效順暢流動的效果。如圖5所示，火筒和煙管束周圍的上升流在雙導(dǎo)流板的引導(dǎo)下，分別流經(jīng)各自上方的對流管束放熱后，向下回流到火筒和煙管束周圍，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[13]。

圖5 導(dǎo)流型天然氣加熱爐熱流場分布圖

通過加裝導(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，消除熱流場死角，有效促使靠近壁面的熱邊界層變薄，從而提高了傳熱效率。對于黏性較大的流體，如乙二醇，尤其需要這種導(dǎo)流式的強化傳熱方式。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稱布置的結(jié)構(gòu)不利于傳熱流場的形成，造成天然氣加熱爐熱效率低（小于87%），能耗高。

（2）通過對水和乙二醇兩種中間載熱介質(zhì)進行試驗比較，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，更容易形成流動死角。

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

（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，簡單而有效，尤其對于乙二醇這種黏性大的中間載熱介質(zhì)，能夠促進對流換熱，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)簡單，適用范圍廣，啟動快，效益明顯，可在短期內(nèi)回收投資，易推廣使用，經(jīng)濟效益非?？捎^。

[1] 戚斌．天然氣水合物生成預(yù)測及防治[J]．天然氣工業(yè)，2009，29（6）：89-90．

[2] Guo Yun，Cao Weiwu．Research and application of the natural gas heater[C]//Energy and Environment Technology，Los A lam itos，CA：IEEE CS，2009：270-274．

[3] 郭韻，曹偉武，嚴平，等．天然氣加熱爐結(jié)構(gòu)與傳熱特性研究[J]．上海理工大學(xué)學(xué)報，2009，33（3）：251-254．

[4] 劉紅．熱載體傳熱技術(shù)在油田地面設(shè)計中的應(yīng)用[J]．勝利油田大學(xué)學(xué)報，2003，17（2）：51-52．

[5] 羅林波，劉延華，王燕．氣田天然氣水套爐溫控節(jié)能技術(shù)[J]．石油天然氣學(xué)報，2009，31（4）：360-361．

[6] 李蘇平，朱剛，邱瑞萍，等．高效節(jié)能水套加熱爐[J]．油氣田地面工程，2003（7）：30-31．

[7] 宋彬，陳佳．氣田天然氣加熱爐選擇[J]．油氣田地面工程，2007，26（3）：59．

[8] 楊小平，王天祥．乙二醇作為熱載體在天然氣凈化裝置中的應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，1997，17（1）：70-74．

[9] 靳嬌．海水源熱泵系統(tǒng)中海水-乙二醇溶液換熱器的研發(fā)[D]．天津：天津大學(xué)，2008．

[10] 岑兆海，謝林．乙二醇在天然氣凈化裝置中的應(yīng)用[J]．石油與天然氣化工，1992，21（1）：34-37．

[11] Guo Y，Cao W W，et al．Investigation on the heat flow field in the cylinder type natural gas heater[C]//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，United States：IEEE PES，2010．

[12] ASHRAE．Physical Properties of Secondary Coolants[M]．USA：Handbook Fundamentals，2005．

[13] Guo Y，Cao W W，et al．Application and research progress of heater in natural gas industry[J]．Heat Transfer Engineering，2011，11（32）：1003-1008．

[14] 曹偉武，嚴平，郭韻，等．一種圓筒式氣體加熱爐熱流場的改良結(jié)構(gòu)：中國，200810036446.4[P]．2011-09-10.

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。

上海市重點學(xué)科建設(shè)項目（P1401）及上海市科委重大科技攻關(guān)項目（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。