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        分體相變加熱爐研究設(shè)計(jì)

        2016-12-20 03:56:37李成呂靜
        設(shè)備管理與維修 2016年11期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        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〕

        TE963

        B

        10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.11.42

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