劉　雁，石俊峰

（北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京100166）

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熱載體爐串并聯(lián)設(shè)計(jì)的對(duì)比分析

劉雁，石俊峰

（北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京100166）

在石油化工、紡織印染和輕工等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，當(dāng)加熱要求均勻緩和，嚴(yán)格控制和調(diào)節(jié)加熱溫度時(shí)，常采用熱載體爐的加熱方法。本文對(duì)熱載體爐的結(jié)構(gòu)形式及熱力參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究分析了各種爐型的優(yōu)缺點(diǎn)，為熱載體爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

熱載體爐；串聯(lián)；并聯(lián)；熱力參數(shù)

熱載體爐中循環(huán)的中間載體有水蒸氣、導(dǎo)熱油或者無機(jī)鹽類。由于受飽和蒸汽壓的限制，一般情況下，飽和水蒸氣作中間載體只能用于200℃以下。若要超過200℃，相應(yīng)的蒸汽壓力也要提高，這將增加設(shè)備的制造費(fèi)用。當(dāng)溫度超過200℃，小于400℃時(shí)，可以采用導(dǎo)熱油作為中間載體。導(dǎo)熱油品種較多，有透平油、常壓三線油，YD油及Thermol油等。當(dāng)溫度大于400℃時(shí)，由于導(dǎo)熱油的物理性質(zhì)的局限，一般采用無機(jī)鹽類做為熱載體。熔鹽是常用的無機(jī)鹽，是亞硝酸鹽、硝酸鹽的混合物。熔鹽在常壓下的熔點(diǎn)是142℃，常壓下可以加熱到540℃。直接火焰加熱的方式加熱中間載體的工業(yè)爐稱為熱載體爐。一般20 MW以下的熱載體爐可以做成整體撬裝型式，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，體積小且占地面積少，對(duì)材料等級(jí)要求也不高。這種熱載體爐一般為微正壓操作，整個(gè)系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)提供系統(tǒng)正常運(yùn)行所需壓頭。

1　熱載體爐基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在最常用撬裝熱載體爐為密排螺旋盤管式立式圓筒爐結(jié)構(gòu)，見圖1。內(nèi)部的加熱盤管分為串聯(lián)管路和并聯(lián)管路，見圖2及圖3。內(nèi)層盤管的內(nèi)部構(gòu)成輻射爐膛，內(nèi)層盤管的外部和其它層盤管構(gòu)成了對(duì)流受熱面。整個(gè)盤管整體放置于爐殼內(nèi)部。燃燒器可以放置于爐膛頂部或者底部，由燃燒控制系統(tǒng)對(duì)熱載體爐進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)及安全監(jiān)測(cè)。

串聯(lián)管路中，介質(zhì)一般由下部統(tǒng)一進(jìn)入到外層螺旋盤管中加熱，然后通過爐膛上部的內(nèi)部轉(zhuǎn)油線統(tǒng)一折返到內(nèi)部盤管中進(jìn)行加熱，最后由內(nèi)層盤管下部排出加熱爐。從加熱爐中排出的介質(zhì)溫度即為工藝要求的設(shè)定溫度。

并聯(lián)管路中，介質(zhì)一般由下部分別進(jìn)入到內(nèi)層及外層的密排螺旋盤管進(jìn)行加熱，由上部排出加熱爐，流路沒有折返。由于傳熱類型及煙氣溫度的不同，從內(nèi)外層盤管中排出的介質(zhì)溫度不一致，需要在管路中進(jìn)行摻混到預(yù)定溫度。

圖1　熱載體爐基本結(jié)構(gòu)圖

圖2　串聯(lián)管路圖　

圖3　并聯(lián)管路圖

無論是并聯(lián)管路還是串聯(lián)管路，燃料在爐膛內(nèi)部燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，在爐膛內(nèi)與盤管內(nèi)的熱載體進(jìn)行輻射換熱后，進(jìn)入到內(nèi)外盤管的夾層之間進(jìn)行對(duì)流換熱，最后排出加熱爐。

2　熱力計(jì)算

爐內(nèi)螺旋盤管為整個(gè)熱載體爐的核心部件，關(guān)系到加熱爐的熱力性能及安全性能。根據(jù)輸入條件，合理的選擇管路的型式和換熱面積對(duì)正常操作尤為重要。熱載體爐爐管的結(jié)構(gòu)形式及換熱面積是否合理要通過熱力計(jì)算來最終判定。

傳熱計(jì)算一般分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)換熱量確定換熱量；校核計(jì)算是先假定結(jié)構(gòu)參數(shù)和面積，求換熱量。熱載體爐的計(jì)算通常是試算法，先初步假定結(jié)構(gòu)參數(shù)和面積，求出換熱量，求出換熱量和要求的換熱量相符（一般允許有2%以下的誤差）為止。這也就是說校核計(jì)算是最常用的計(jì)算方法［1］。爐內(nèi)的傳熱計(jì)算分為輻射換熱計(jì)算及對(duì)流換熱計(jì)算。無論是并聯(lián)管路還是串聯(lián)管路，熱力計(jì)算框圖基本一致，只是計(jì)算出的熱力計(jì)算參數(shù)差別比較大，如內(nèi)層盤管介質(zhì)出口溫度、最高液膜溫度及壓降等。因此，常常需要自己根據(jù)熱力參數(shù)的比較及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，確定合理的串或并聯(lián)結(jié)構(gòu)及換熱面積。

熱載體爐內(nèi)的輻射換熱的計(jì)算方法采用羅波-伊萬斯法。這種計(jì)算方法中的輻射室傳熱速率方程為［2］：

式中：QR—總換熱量，W

α—角系數(shù)，無量綱

Acp—冷平面面積，m2

AR—輻射換熱面面積，m2

F—交換因素，無量綱。用于考慮火焰的黑度，反射墻的布置，燃燒室的體積等校正系數(shù)

hRC—輻射室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）

Tg—輻射室煙氣溫度，K

Tw—輻射管外壁平均溫度，K

熱平衡方程：

式中：QR—輻射換熱量，W

B—燃?xì)庥昧?，m3/s

Vy—實(shí)際煙氣流量，m3/m3燃?xì)?/p>

Hmax—理論火焰溫度下煙氣焓值，J/m3

Hg—爐膛溫度下煙氣焓值，J/m3

管壁溫度計(jì)算公式：

式中：tj，tc—介質(zhì)的進(jìn)口溫度，℃

hi—管內(nèi)介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）

Rj—管內(nèi)污垢熱阻，（m2·K）/W

δ—管壁厚度，m

λs—管材導(dǎo)熱系統(tǒng)，W/（m·K）

qR—輻射管的平均熱強(qiáng)度，W/m2

d0—爐管外徑，m

di—爐管內(nèi)徑，m

另外，熱載體爐中液膜溫度的計(jì)算也至關(guān)重要。因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中液膜溫度高于熱載體允許液膜溫度，會(huì)導(dǎo)致熱載體變質(zhì)，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。計(jì)算液膜溫度要低于允許液膜溫度。液膜溫度計(jì)算如下：

式中：tf—最高液膜溫度，℃

qmax—輻射管的最高熱強(qiáng)度，W/m

爐內(nèi)輻射換熱部分程序框圖如下：

圖4　爐內(nèi)輻射換熱部分程序框圖

爐內(nèi)對(duì)流換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輻射換熱強(qiáng)度，但是對(duì)流換熱總量約占總熱量的30%～50%，所以對(duì)流換熱也需精確計(jì)算。熱載體爐爐管內(nèi)加熱的均為單相液體，所以管內(nèi)均能達(dá)到湍流狀態(tài)。管外煙氣流速較高，一般處于10～20 m/s的范圍內(nèi)，也可以達(dá)到湍流狀態(tài)。但是，管內(nèi)介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管外，所以管外熱阻是影響傳熱的主要因素。對(duì)流傳熱公式為［3］：

式中：Qc—對(duì)流換熱量，W

K—傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

A—對(duì)流換熱面積，m2

Δtm—對(duì)流平均溫差，℃

能量方程：

式中：Hin—對(duì)流段進(jìn)口煙氣焓值，J/m3

Hout—對(duì)流段進(jìn)口煙氣焓值，J/m3

爐內(nèi)對(duì)流換熱部分程序框圖如圖5所示：

圖5　爐內(nèi)對(duì)流換熱部分程序框圖

整個(gè)熱力計(jì)算過程均為試算過程，輻射換熱與對(duì)流換熱計(jì)算打印出的熱力參數(shù)均需要運(yùn)用專業(yè)知識(shí)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷分析，判斷出不合理的熱力參數(shù)，通過結(jié)構(gòu)的變化優(yōu)化熱力參數(shù)，使其達(dá)到性能及安全性的要求。

介質(zhì)的壓降計(jì)算在熱載體爐的工藝計(jì)算中同樣重要。在工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，根據(jù)流體接觸的邊壁是否變化，把能量損失分為兩類：沿程損失hf及局部損失hm。壓降計(jì)算公式［4］：

式中：P—壓降，kPa

λ—沿程阻力系數(shù)，無量綱，根據(jù)莫迪圖選取

l—管道長度，m

d—管道內(nèi)徑，m

ρ—介質(zhì)密度，kg/m3

v—管內(nèi)介質(zhì)流速，m/s

ξ—局部阻力系數(shù)，無量綱

爐內(nèi)的壓降是選擇循環(huán)泵的重要依據(jù)。爐內(nèi)介質(zhì)壓降大，需要的泵的揚(yáng)程高，一次性投資高，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。壓降小，說明介質(zhì)在爐管內(nèi)流速低，換熱差，液膜及管壁溫高。所以，壓降值既要考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，又要兼顧熱力參數(shù)的合理性。

3　熱力性能比較

通過具體項(xiàng)目，分別計(jì)算出在串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)下熱載體爐的內(nèi)外層盤管的介質(zhì)出口溫度、壓降等參數(shù)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果作對(duì)比分析，見表1和表2。

表1　采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

表2　采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

此項(xiàng)目加熱爐采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)主要是考慮了液膜溫度的因素。并聯(lián)結(jié)構(gòu)中計(jì)算液膜溫度已經(jīng)達(dá)到允許液膜溫度，實(shí)際運(yùn)行中此種結(jié)構(gòu)一定會(huì)導(dǎo)致熱載體變質(zhì)，所以在此種工況下不能采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。而串聯(lián)結(jié)構(gòu)計(jì)算所得液膜溫度低于允許液膜溫度，但從計(jì)算角度分析是安全的。在加熱爐運(yùn)行過程中，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)熱載體結(jié)焦變質(zhì)狀況。且熱載體爐出口溫度均勻一致，可調(diào)節(jié)性好。

此項(xiàng)目加熱爐采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要是考慮了投資及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)大大降低了壓降，從而可以有效降低循環(huán)泵的壓頭，節(jié)約了成本。由于此種熱載體允許液膜溫度較高，所以采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的熱力參數(shù)也能滿足性能要求及安全運(yùn)行要求。故采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)是合理的。

4　結(jié)語

一般來說，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的加熱爐中介質(zhì)在加熱工程中產(chǎn)生的壓降較小，但是液膜溫度較高，如果最高液膜溫度低于允許液膜溫度，那么，也可以考慮采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。這時(shí)熱力參數(shù)符合要求，且可以采用壓頭較低的泵型，節(jié)省了一次性投資，且運(yùn)行費(fèi)用也能降低。但是，并聯(lián)結(jié)構(gòu)中內(nèi)層盤管出口溫度與外層盤管出口溫度不一致，需要摻混后才能達(dá)到工藝要求的設(shè)定溫度。如果兩股介質(zhì)摻混不完全就經(jīng)過測(cè)溫裝置，那么就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差而影響燃料的調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響整個(gè)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。串聯(lián)結(jié)構(gòu)整體的壓降會(huì)高于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，但是液膜溫度較低?？梢酝ㄟ^增加流路的數(shù)量的方法一定程度上降低介質(zhì)壓降，盡可能降低泵壓頭。串聯(lián)結(jié)構(gòu)中介質(zhì)出口溫度均勻，無需摻混，出口溫度即為工藝要求的設(shè)定溫度，溫度測(cè)量較準(zhǔn)確。工藝過程要求熱載體出口溫度較高且接近熱載體允許使用溫度的情況下，建議使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。工藝過程中要求精度較高的情況下，亦建議使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

［1］馮俊凱.鍋爐原理及計(jì)算［M］.3版.北京：科學(xué)出版社，2003.

［2］錢家麟.管式加熱爐［M］.2版.北京：中國石化出版社，2007.

［3］陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［4］蔡增基.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

Comparative Analysis for Parallel Connection and Series Connection Design of Thermal Media Heater

LIU Yan，SHI Junfeng
（Beijing Aerospace Petrochemical Technology Equipment Engineering Corporation，Beijing 100166，China）

The thermal media heater is applied when heating uniformity is required and temperature adjustment is controlled strictly in petroleum，textile and dyeing and light industry.The structural style and thermodynamics parameters of thermal media heater are compared and analyzed，and the merits and demerits of different thermal media heaters are revealed to optimized design.

thermal media heater；series connection；parallel connection；thermodynamic parameter

TK11+2

A

1001-6988（2016）02-0039-04

2015-12-14

劉雁（1980—），女，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)爐相關(guān)技術(shù).