李成，呂靜

（1.標(biāo)映天成電子科技（北京）有限公司，北京101300；2.北京百恒達(dá)石油技術(shù)有限公司，北京100107）

再生氣加熱爐設(shè)計(jì)與管理

李成1，呂靜2

（1.標(biāo)映天成電子科技（北京）有限公司，北京101300；2.北京百恒達(dá)石油技術(shù)有限公司，北京100107）

針對(duì)目前工業(yè)應(yīng)用中再生氣加熱爐的情況、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，并以2700 kW再生氣加熱爐為例，介紹再生氣加熱爐的熱力計(jì)算、水動(dòng)力計(jì)算、煙風(fēng)阻力計(jì)算等設(shè)計(jì)過程，以及選用條件、結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)形式的原則等。

再生氣加熱爐；輻射；對(duì)流；設(shè)計(jì)；選用原則

0 引言

隨著世界能源需求量不斷增長(zhǎng)，石油的開采成本也在日益上升，石油能源的短缺，使天然氣的開發(fā)應(yīng)用日益受到重視，天然氣已是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源與化工原料。我國天然氣資源豐富，加快天然氣的利用對(duì)改善國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。天然氣相對(duì)于石油來說使用成本低，與煤和石油相比，作為燃料可以明顯減少環(huán)境污染，其燃燒排放量遠(yuǎn)低于石油和煤。已廣泛用于工業(yè)部門、發(fā)電、天然氣汽車、天然氣化工及天然氣合成油等方面。液化天然氣（Liquefied Natural Gas即LNG）是天然氣的一種應(yīng)用形式。LNG生產(chǎn)過程是將油氣田開采出來的天然氣，經(jīng)過脫水、脫烴、脫酸性氣體處理后，采用制冷工藝使天然變?yōu)橐后w，體積僅為原氣態(tài)時(shí)的1/600，此時(shí)儲(chǔ)存和運(yùn)輸十分方便。而再生氣加熱爐在LNG生產(chǎn)中的作用是使分子篩塔重新恢復(fù)吸附功能，如再生氣加熱爐對(duì)天然氣進(jìn)行加熱，在加熱到一定溫度時(shí)，高溫的再生氣進(jìn)入分子篩塔，使分子篩塔在某個(gè)溫度恒溫一段時(shí)間，從而脫除分子篩上吸附的水分子，這樣就可使分子篩塔吸附功能得以恢復(fù)。

圖1 全輻射再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)圖

1 再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)

（1）目前再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)形式屬于管式爐范疇。再生氣加熱爐在應(yīng)用中一般以立式為主，立式結(jié)構(gòu)一般有全輻射和輻射對(duì)流相結(jié)合的兩種結(jié)構(gòu)形式，這兩種結(jié)構(gòu)中又有帶輻射錐和不帶輻射錐兩類。全輻射式無對(duì)流段，效率較低，一般從爐體排出的煙氣溫度較高。為節(jié)約能源后部需要設(shè)置空氣預(yù)熱器或是省煤器，從而進(jìn)一步回收煙氣中的熱量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保要求。輻射對(duì)流相結(jié)合的結(jié)構(gòu)對(duì)流管一般采用釘頭管或翅片管，這兩種管子作用是擴(kuò)大換熱面積，提高熱傳遞的效率，可以看成是受熱面的延伸和擴(kuò)展；其次這兩種管子使煙氣在流道內(nèi)形成強(qiáng)烈的擾流，并使流動(dòng)邊界層和熱邊界層斷裂、重組，從而強(qiáng)化換熱。

（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。這兩種立式再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：爐體較窄、占地面積??；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；燃燒器設(shè)置在底部，一般根據(jù)情況設(shè)置一組或多組燃燒器，底部為發(fā)熱面。燃燒方向和抽力方向一致，因而可減少火焰亂流現(xiàn)象，燃燒和操作比較穩(wěn)定。常用的全輻射再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)，圖1。輻射對(duì)流結(jié)合再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)，圖2。

圖2 輻射對(duì)流結(jié)合再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 再生氣加熱爐系統(tǒng)計(jì)算

1.2.1 燃燒系統(tǒng)熱力計(jì)算

（1）輻射段計(jì)算。熱力計(jì)算的主要目的是確定足夠的受熱面，以保證加熱爐合理的出力和熱效率。再生氣加熱爐燃燒系統(tǒng)輻射段計(jì)算采用羅伯-伊萬斯（LOBO-EVANS）的圖解法。首先假設(shè)輻射段爐膛溫度Tg，K；假設(shè)輻射段爐膛熱負(fù)荷QR，kW，《管式加熱爐規(guī)范》SY/T0538-2012中推薦熱負(fù)荷，按照總熱負(fù)荷的65%～75%來估算；輻射爐管的平均溫度Tw，K，《管式加熱爐規(guī)范》中按輻射爐管內(nèi)介質(zhì)平均溫度，加30～60℃來考慮。輻射段傳熱速率方程式，式（1）。

式中QR——輻射段熱負(fù)荷，kW

Fa——有效吸收因數(shù)

ACP——當(dāng)量平面，m2

F——?dú)怏w交換因數(shù)

Tg——輻射段爐膛平均煙氣溫度，K

KTw——輻射段爐管管壁平均溫度，K

C1——系數(shù)。

輻射段熱平衡方程式，式（2）。

式中QR——輻射段熱負(fù)荷，kW

B——燃料用量，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）

Qe——燃料低熱值，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）

Qa——空氣進(jìn)爐顯熱，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）Qf——燃料進(jìn)爐顯熱，kJ/kg（燃料油）或kJ/m3（燃料氣）Qs——霧化蒸汽進(jìn)爐顯熱，kJ/kg（燃料）

qR——輻射段表面散熱損失，取1%～1.5%

qg——離開輻射段爐膛的煙氣帶走的熱量損失，kW

采用試算法，按照假設(shè)各種爐膛溫度帶入公式（1）和公式（2）計(jì)算，直至公式（1）和公式（2）計(jì)算QR近似相等，此時(shí)的Tg和QR即為最終計(jì)算結(jié)果。

（2）對(duì)流段計(jì)算。對(duì)流段總傳熱系數(shù)，按照式（3）計(jì)算。

式中kC——對(duì)流段總傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)

目前常用對(duì)流段管子有光管、釘頭管、翅片管。釘頭管和翅片管換熱系數(shù)比光管大很多，但是容易積灰，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用。

1.2.2 燃燒系統(tǒng)煙氣阻力計(jì)算

本設(shè)計(jì)的再生氣加熱爐結(jié)構(gòu)中燃燒系統(tǒng)包括的煙風(fēng)阻力分為沿程摩擦阻力和局部阻力。

沿程摩擦阻力，式（4）：

式中Δhmc——沿程摩擦阻力，Pa

λ——沿程摩擦阻力系數(shù)

l——管道長(zhǎng)度，m

d——通道當(dāng)量直徑，m

ξjb——局部阻力系數(shù)，其值決定于各種局部阻力的形式

本文設(shè)計(jì)的燃?xì)忮仩t為微正壓燃燒，正壓通風(fēng)，選用燃燒器時(shí)需考慮保證所需的功率前提下，確保在燃燒器的背壓范圍內(nèi)。

1.2.3 爐管壓力降計(jì)算

通過爐管的壓力降，式（6）：

ω——?dú)饬魉俣?，m/s，按照氣流平均溫度計(jì)算

g——重力加速度，m/s2

r——?dú)怏w重度，N/m3，按照氣流平均溫度計(jì)算

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3。

男性檢驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值有8個(gè)單詞存在顯著性差異（占比57%），女性檢驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值有10個(gè)存在顯著性差異（占比71%），明顯高于F1差異顯著比重。說明男性學(xué)生和女性學(xué)生在舌位的前后和嘴唇的圓展方面問題較多。所有數(shù)據(jù)中，V1均小于V2，無一例外。這一現(xiàn)象說明，貴州民族學(xué)生，無論男生還是女生，舌位通常比母語發(fā)音人更靠后，唇形更圓。

局部阻力，式（5）：

式中ΔP——通過爐管的壓力降，MPa

Le——爐管當(dāng)量長(zhǎng)度，m

di——爐管內(nèi)徑，m

f——水力摩擦系數(shù)

u——管內(nèi)介質(zhì)流速，m/s

ρ——管內(nèi)介質(zhì)密度，kg/m3

被加熱介質(zhì)進(jìn)口高度高于工藝管線造成的壓降，式（7）：

式中ΔP'——被加熱介質(zhì)進(jìn)口高度高于工藝管線造成的壓降，MPa

ΔH——被加熱介質(zhì)進(jìn)口標(biāo)高與工藝管線標(biāo)高之差，m

再生氣加熱爐壓力降為輻射段壓力降、對(duì)流段壓力降、被加熱介質(zhì)進(jìn)口與工藝管線間高度差造成的壓力降3部分之和。

2 主要技術(shù)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果

2.1 用戶提供再生氣加熱爐的參數(shù)（表1，表2）

表1 用戶提供主要技術(shù)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算方法，以2700 kW再生氣加熱爐為例，其計(jì)算結(jié)果見表3。

3 結(jié)論

（1）表4給出了相變換熱加熱爐運(yùn)行值與設(shè)計(jì)值的比較情況。

（2）此設(shè)計(jì)用戶要求使用全輻射式再生氣加熱爐，全輻射式再生氣加熱爐由于排煙溫度高，一般尾部設(shè)置余熱回收設(shè)備，從而避免浪費(fèi)。

表2 用戶提供燃料參數(shù)

表3 再生氣加熱爐計(jì)算結(jié)果

（3）再生氣加熱爐應(yīng)配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)及燃燒器保證加熱爐的安全運(yùn)行，能根據(jù)出口的溫度情況及時(shí)調(diào)節(jié)燃燒器的運(yùn)行工況，可避免浪費(fèi)，節(jié)約能源。

表4 再生氣加熱爐運(yùn)行值與設(shè)計(jì)值比較

［1］工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［2］管式加熱爐規(guī)范[M].SY/T 0538-2012.

［3］管式加熱爐工藝計(jì)算[M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社.

［4］油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1994，688～689.

〔編輯王永洲〕

TE91

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.02