李成，呂靜

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

分體相變加熱爐研究設(shè)計(jì)

李成1，呂靜2

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

針對(duì)分體相變加熱爐在油田現(xiàn)場(chǎng)使用情況、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，介紹相變加熱爐的設(shè)計(jì)過程。包括分體相變加熱爐的選用條件、結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)形式選用原則、部件結(jié)構(gòu)上的提效的考慮及計(jì)算。其中XB2500-Y/6.3-Q型分體相變加熱爐已應(yīng)用于吉林油田新木聯(lián)合站，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)吻合較好，與設(shè)計(jì)值相比，實(shí)際排煙溫度低2℃，熱效率高出0.8%。

相變加熱爐；波紋爐膽；蛇形盤管；導(dǎo)流管

0 引言

節(jié)能增效觀念的加強(qiáng)及新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求使設(shè)計(jì)者在加熱爐設(shè)計(jì)中既要考慮制造成本低、經(jīng)濟(jì)效益最大化，又要求設(shè)計(jì)熱效率≥90%。油田加熱爐由于使用環(huán)境及設(shè)備等原因，不會(huì)增加省煤器或空氣預(yù)熱器等爐外提效設(shè)備，因此實(shí)現(xiàn)起來比較困難。油田80%以上的加熱爐為小功率加熱爐，是提效難點(diǎn)也是提效重點(diǎn)。為追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化，就必須要減少制造成本，因此加熱爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一定要緊湊，金屬重量越低越好。一方面，爐膛及煙管內(nèi)的煙氣流速相對(duì)要比較高，對(duì)流傳熱系數(shù)要大，另一方面，燃燒器燃燒鼓風(fēng)系統(tǒng)又不能消耗太多電量。同時(shí)實(shí)現(xiàn)在單位功率所需傳熱面積相同的情況下，加熱爐排煙溫度相對(duì)要降低，排煙損失要減少。

1 分體相變加熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 選擇分體相變加熱爐的理論條件

相變加熱爐從換熱管布置方式上一般分為一體式和分體式兩種，分體相變加熱爐是蒸汽發(fā)生裝置和換熱盤管分別布置在不同的殼體內(nèi)，兩者通過管路連接實(shí)現(xiàn)熱量交換。分體相變加熱爐是在密閉的環(huán)境內(nèi)工作，有壓或真空狀態(tài)下運(yùn)行，熱載體媒質(zhì)水可循環(huán)使用，只有出現(xiàn)泄漏情況才需要補(bǔ)水，因?yàn)闃O少補(bǔ)水，所以爐內(nèi)水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，不需經(jīng)常排污。由于爐體是在無氧狀態(tài)下工作，礦物質(zhì)不會(huì)隨水帶入爐內(nèi)而發(fā)生結(jié)垢、過燒、鼓包等現(xiàn)象，不會(huì)產(chǎn)生氧腐蝕，安全性能良好，使用壽命長(zhǎng)。分體相變加熱爐被加熱介質(zhì)可以是水、原油、天然氣等，正好適合油田內(nèi)被加熱介質(zhì)變化多樣的需求。分體相變加熱爐配備先進(jìn)的全自動(dòng)燃燒器，堅(jiān)固耐用，全自動(dòng)控制，可靠性強(qiáng)，可實(shí)行智能化、無人操作和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等。加熱原油且功率≥2000 kW的相變加熱爐一般采用分體式。

1.2 分體相變加熱爐結(jié)構(gòu)

如圖1所示，分體式相變加熱爐下部單元為燃燒部分，由殼體、爐膽、煙管、保溫、煙囪、燃燒器等組成，上部單元為換熱部分，由殼體、換熱盤管、和壓力控制裝置等組成。燃燒部分主體為臥式3回程結(jié)構(gòu)，燃燒系統(tǒng)采用對(duì)稱式設(shè)計(jì)，爐體上設(shè)置液位計(jì)來保證水域界面。燃燒室采用波紋爐膽，波紋爐膽有比較好的熱膨脹伸縮性，可大幅度減少熱應(yīng)力，保證不同溫度下的熱膨脹伸長(zhǎng)量的要求，起到膨脹節(jié)的作用，增加加熱爐的安全性并延長(zhǎng)使用壽命；因波紋爐膽傳熱面積大約是光管傳熱面積的1.5倍，增強(qiáng)了傳熱效果，且較大幅度降低了爐膛表面熱負(fù)荷；波紋形狀可促使燃燒后產(chǎn)生的煙氣流形成更大擾動(dòng)，使空氣、燃料混合均勻，保證燃燒充分。煙管采用螺紋煙管，螺紋煙管增加煙氣的擾動(dòng)，可以使煙氣在相應(yīng)的速度下保持紊流狀態(tài)，增大換熱系數(shù)以加強(qiáng)換熱。在相同的鋼耗量下能大幅降低排煙溫度，減少排煙熱損失，提高加熱爐的熱效率。換熱部分設(shè)置在上部的殼體內(nèi)，其殼體上設(shè)置壓力控制裝置（真空相變爐設(shè)置真空閥；微壓和壓力相變爐設(shè)置安全閥），保證相變爐的整體運(yùn)行壓力。換熱盤管為蛇形換熱管，三角形排列布置在上部殼體內(nèi)，多組換熱盤最后匯集至進(jìn)出口管。

圖1 分體相變加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

上下兩個(gè)殼體通過蒸汽連接管保證蒸汽從爐體內(nèi)的蒸汽空間進(jìn)入換熱器的殼體部分，換熱器殼體內(nèi)凝結(jié)的液體通過導(dǎo)流管回流到爐體內(nèi)，保證凝結(jié)水順利從蒸汽空間回流到下面爐體的液體空間，避免因受氣體阻力影響而無法回流。蒸汽連接管設(shè)置在高于液面的汽相空間位置，保證蒸汽順利通過并進(jìn)入換熱器殼體空間。在此過程中燃料燃燒放出熱量通過下部殼體內(nèi)的爐膽及煙管使殼體內(nèi)的水（熱載體媒質(zhì)）被加熱，部分水被加熱成相應(yīng)壓力下的飽和蒸汽，使?fàn)t體上部形成蒸汽空間，并通過蒸汽連通管到達(dá)上部殼體內(nèi)，水蒸汽遇到換熱盤管后冷凝成水，然后通過導(dǎo)流管流回下部殼體內(nèi)，如此往復(fù)，不斷加熱進(jìn)入換熱盤管內(nèi)的介質(zhì)。

1.3 分體相變加熱爐系統(tǒng)計(jì)算

分體相變加熱爐燃燒系統(tǒng)參照燃油燃?xì)忮仩t燃燒系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算?！断嘧兗訜釥t》GB/T 21435—2008中6.2.2條關(guān)于水介質(zhì)相變加熱爐額定工況下熱效率的規(guī)定為當(dāng)燃油或燃?xì)鈺r(shí)，應(yīng)不低于SY/T 5262—2000規(guī)定熱效率加上10個(gè)百分點(diǎn)，《火筒式加熱爐規(guī)范》SY/T 5262—2000中5.2條關(guān)于熱效率的規(guī)定：火筒式加熱爐殼體散熱損失≤2%；設(shè)計(jì)熱負(fù)荷＜630 kW，熱效率η≥75%；當(dāng)計(jì)熱負(fù)荷≥630 kW，熱效率η≥80%。

自2010年5月1日起開始執(zhí)行新的加熱爐規(guī)范《火筒式加熱爐規(guī)范》SY/T 5262-2009，熱效率的規(guī)定：設(shè)計(jì)熱負(fù)荷＜630 kW，熱效率η≥80%；設(shè)計(jì)熱負(fù)荷≥630 kW，熱效率η≥85%；采用正壓燃燒的加熱爐，熱效率η≥90%。

本設(shè)計(jì)執(zhí)行最嚴(yán)格要求，按《火筒式加熱爐規(guī)范》SY/T 5262—2009執(zhí)行：采用正壓燃燒的加熱爐，熱效率η≥90%。

1.3.1 燃燒系統(tǒng)熱力計(jì)算

（1）系統(tǒng)熱平衡計(jì)算。

系統(tǒng)的熱平衡是為了保證送入鍋爐機(jī)組的熱量與有效利用熱和各項(xiàng)熱損失的總和相等，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出燃?xì)饬亢蜋C(jī)組的熱效率，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1 m3氣體為基準(zhǔn)。燃?xì)忮仩t的熱平衡方程式見式1。

式中Qr——送入鍋爐系統(tǒng)的熱量，kJ/m3

Q1——鍋爐系統(tǒng)的有效利用熱量，kJ/m3

Q2——排煙帶走的熱量，kJ/m3

Q3——?dú)怏w不完全燃燒（又稱化學(xué)不完全燃燒）損失的熱量，kJ/m3

Q5——鍋爐系統(tǒng)向周圍空氣散失的熱量，kJ/m3

由式（1）可知，燃?xì)忮仩t的熱損失包括排煙損失、氣體不完全燃燒損失和散熱損失。若要提高熱效率，可采取降低排煙溫度、提高燃料的燃燒比率和減少散熱損失等措施。但排煙溫度選取時(shí)要考慮加熱爐低溫受熱面酸露點(diǎn)的影響，散熱損失的減小必然會(huì)帶來加熱爐建造成本的增加，需找到設(shè)計(jì)的權(quán)衡點(diǎn)。

（2）爐膛熱力計(jì)算

爐膛的設(shè)計(jì)首先在保證足夠受熱面的前提下，直徑與長(zhǎng)度在充分掌握燃燒器特性的基礎(chǔ)上以火焰的幾何形狀設(shè)計(jì)而成，燃燒器是燃燒系統(tǒng)的心臟，燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有利于燃燒，保證燃料充分、順暢燃燒。爐膛的熱力計(jì)算其中爐膽出口煙溫按1973年前蘇聯(lián)《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》中的公式計(jì)算。

一般3回程鍋爐爐膽換熱量為60%～70%。在加熱爐燃料量一定以及爐膽輻射受熱面足夠的前提下，增大爐膽輻射受熱面積，會(huì)降低爐膽出口煙氣溫度。但爐膽輻射受熱面積過大，會(huì)大幅提高加熱爐建造成本。3回程結(jié)構(gòu)中爐膽出口煙溫設(shè)計(jì)一般控制在＜1100℃范圍。

（3）螺紋煙管的熱力計(jì)算

破壞層流邊界層，增強(qiáng)煙氣紊流和傳熱系數(shù)比較常用的方法有7種，分別是螺紋管、橫紋管、凹窩管、內(nèi)插螺旋麻花帶、內(nèi)插螺旋彈簧絲、內(nèi)插大空隙率繞花絲和內(nèi)置翅片管。

本設(shè)計(jì)中使用縱向沖刷螺紋煙管，流通面積應(yīng)保證工質(zhì)的流動(dòng)處于紊流狀態(tài)（即Re＞104），雖然隨著煙氣流速逐漸增加，螺紋煙管的對(duì)流換熱系數(shù)隨之增大，但流速過高煙風(fēng)阻也會(huì)增加，雖然能節(jié)約對(duì)流換熱面，但會(huì)使燃燒器生產(chǎn)運(yùn)行成本增加。爐體生產(chǎn)成本降低但運(yùn)行成本增加，不符合油田生產(chǎn)中所提倡的節(jié)能、環(huán)保原則。設(shè)計(jì)中控制第二回程煙管內(nèi)煙速20 m/s左右。螺紋煙管一般情況下可以使換熱系數(shù)增加20%～50%，且螺紋煙管比內(nèi)插類裝置生產(chǎn)加工方便。

1.3.2 燃燒系統(tǒng)煙氣阻力計(jì)算

本設(shè)計(jì)的分體相變加熱爐結(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。沿程摩擦阻力計(jì)算見式2。

式中△hmc——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

ω——?dú)饬魉俣?，按照氣流平均溫度?jì)算，m/s

g——重力加速度，m/s2

r——?dú)怏w重度，按照氣流平均溫度計(jì)算，N/m3

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3局部阻力計(jì)算見式3。

式中△hjb——局部摩擦阻力，Pa

ξjb——局部阻力系數(shù)，其值決定于各種局部阻力的形式

本次設(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在燃燒器的背壓范圍內(nèi)。

1.3.3 相變蛇形換熱盤管熱力計(jì)算

相變蛇形換熱盤管是相變加熱爐的對(duì)外輸出熱量部分。被加熱介質(zhì)被強(qiáng)制通過蛇形盤管，帶走爐內(nèi)蒸汽熱量。真空、有壓、微壓相變爐一般根據(jù)出口溫度作為選擇參考。以真空相變加熱爐為例，由于真空下水的飽和溫度較低，飽和蒸汽溫度一般為90℃，故被加熱介質(zhì)出口溫度一般≤85℃；另，高原地區(qū)一般不會(huì)選擇真空相變加熱爐。以管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)計(jì)算見式4。

式中hi，ho——管子內(nèi)、外側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）

Ri，Ro——管子內(nèi)、外側(cè)的污垢熱阻，m2·℃/W

di，do——管子內(nèi)、外徑，m

λ——管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）

換熱盤管的換熱管徑選擇主要與所需受熱面和被加熱介質(zhì)流速、流阻有關(guān)，石油工程項(xiàng)目中盤管內(nèi)被加熱介質(zhì)為原油時(shí)推薦值取0.5～1 m/s，該范圍內(nèi)的流速值經(jīng)多年的實(shí)踐證明相對(duì)于流動(dòng)阻力和換熱系數(shù)是較經(jīng)濟(jì)合理的。

2 主要技術(shù)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果

2.1 分體相變加熱爐的主要技術(shù)參數(shù)

以1個(gè)功率2500 kW加熱爐為例，設(shè)計(jì)的參數(shù)：殼程設(shè)計(jì)溫度120℃，殼程設(shè)計(jì)壓力0.35 MPa，設(shè)計(jì)效率91.2%，管程介質(zhì)流量120 m3/h，管程進(jìn)/出口原油溫度（40～45）℃/（65～75）℃，含水率20%，燃料消耗量277.2 m3/h，排煙溫度140℃。

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算方法，XB2500-Y/6.3-Q型分體相變加熱爐計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 分體相變加熱爐計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)的分體相變換熱加熱爐已應(yīng)用于吉林油田新木聯(lián)合站，實(shí)踐表明，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)吻合較好，相變換熱加熱爐運(yùn)行值與設(shè)計(jì)值的比較結(jié)果為：額定功率的情況下實(shí)際運(yùn)行中排煙溫度比設(shè)計(jì)溫度下降2℃，燃料消耗量減少3.6 m3/h，熱效率提高了0.8%。

（2）分體相變加熱爐可以設(shè)計(jì)成一爐多盤管結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足多井或多介質(zhì)加熱的需求，且占地面積小，運(yùn)輸方便，解決了當(dāng)前大型油田加熱爐整體運(yùn)輸困難、偏遠(yuǎn)地方現(xiàn)場(chǎng)制作不方便且質(zhì)量得不到保障等問題。

（3）油田加熱爐配備先進(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)中間介質(zhì)的溫度情況及時(shí)調(diào)節(jié)燃燒器的運(yùn)行工況，降低能源消耗。

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

［2］楊世鉻，陶文銓.傳熱學(xué)第三版［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］李之光，王昌明，周占魁.有壓相變換熱式新型水火管鍋殼鍋爐［J］.工業(yè)鍋爐，2000，（3）.

［4］趙欽新，惠世恩.燃油燃?xì)忮仩t［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.

［5］《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》編寫組.油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)（上冊(cè)）［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1994.

［6］GB/T 21435—2008，相變加熱爐［S］.

［7］SY/T 5262—2009，火筒式加熱爐規(guī)范［S］.

［8］陳廣強(qiáng)，呂靜，蘇崇傳.分體相變加熱爐［P］.中國(guó)專利，201220689566，2013-12-04.

〔編輯 李波〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.42