何安群（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠）

油田加熱爐是油田中轉(zhuǎn)站，聯(lián)合站必不可少的設(shè)備之一，主要用于熱洗、摻水、采暖、原油輸送等工藝加熱過(guò)程。常規(guī)加熱爐一般采用“火焰和高溫?zé)煔獍褵崃總鬟f給換熱面，熱量再由換熱面?zhèn)鬟f給介質(zhì)”的熱量傳遞過(guò)程。在生產(chǎn)運(yùn)行中，換熱面結(jié)垢是不可避免的，導(dǎo)致運(yùn)行熱效率降低、燃料消耗增加、除垢等生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用增加。本文采用煙氣與水直接換熱的熱交換方式，研制了直接換熱式油田加熱爐，從而解決了其結(jié)垢所帶來(lái)的能源消耗大、除垢費(fèi)用高等問(wèn)題，運(yùn)行熱效率較常規(guī)加熱爐提高了10個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)氣量超過(guò)11.2%。此外，該加熱爐屬常壓加熱爐，爐內(nèi)被加熱介質(zhì)與大氣相通，使用安全可靠；并且由于其不承壓、無(wú)受熱面，因此降低了成本、縮小了占地面積。同時(shí)，因被加熱介質(zhì)在換熱過(guò)程中對(duì)煙氣起到了凈化作用，該加熱爐還有利于環(huán)保。

1 直接換熱機(jī)理研究

1.1 高溫?zé)煔獾男纬杉傲鲃?dòng)

在大慶油田，在用加熱爐所消耗的燃料以天然氣為主[1]，本文研究過(guò)程中相應(yīng)地以天然氣燃料為研究對(duì)象。這里的高溫?zé)煔庵傅氖翘烊粴馀c空氣燃燒后的產(chǎn)物，由于燃燒時(shí)放出來(lái)的熱量被其攜帶著，這些產(chǎn)物溫度很高并以氣態(tài)存在，所以稱(chēng)之為高溫?zé)煔狻?/p>

1.1.1 高溫?zé)煔獾男纬?/p>

由于加熱爐爐膛的出口溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水蒸氣的凝結(jié)溫度，故有關(guān)高溫?zé)煔獾挠?jì)算均采用低發(fā)熱值。關(guān)于高溫?zé)煔猓饕獏?shù)有理論空氣量、煙氣量、煙焓等。

天然氣中的可燃物質(zhì)包括H2、CO、H2S和C1～C7烴類(lèi)氣體等，其組成一般用體積分?jǐn)?shù)表示。高溫?zé)煔獾母黜?xiàng)參數(shù)都可按各組分的體積分?jǐn)?shù)和各組分的性質(zhì)計(jì)算得到。

理論空氣量可由下式求得：

實(shí)際煙氣質(zhì)量可由下式求得：

煙氣熱焓可由下式求得：

1.1.2 高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)

為了實(shí)現(xiàn)煙氣與液體介質(zhì)直接換熱，燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)全部在爐膛內(nèi)進(jìn)行，換熱全部在換熱室中進(jìn)行，因此，爐膛內(nèi)天然氣與空氣的混合要盡可能地好。天然氣氣流的速度及天然氣與空氣間的相對(duì)速度決定著混合的強(qiáng)弱。在氣流處于層流狀態(tài)時(shí)，混合速度與流速無(wú)關(guān)，流速越大則火焰越長(zhǎng)；在湍流狀態(tài)下，混合很強(qiáng)烈，氣流速度加大則火焰長(zhǎng)度縮短；氣、氣的相對(duì)速度越大，則混合越強(qiáng)烈。為縮短混合所需的時(shí)間，減少爐膛尺寸、降低爐膛耗鋼量，把大股的天然氣分成多股小氣流旋轉(zhuǎn)噴入空氣流中效果最佳[2-3]。

這樣，天然氣和空氣進(jìn)入爐膛后很快混合，混合氣體一邊燃燒一邊以旋流的方式在爐膛內(nèi)流動(dòng)，旋流進(jìn)氣方式不但縮短了火焰長(zhǎng)度，而且其所產(chǎn)生的向心力對(duì)燃燒道中的高溫燃?xì)饬鳟a(chǎn)生回流運(yùn)動(dòng)，形成回焰燃燒。回焰燃燒不僅可以增強(qiáng)燃燒段熱強(qiáng)度，而且可對(duì)剛進(jìn)入爐膛的氣體起到預(yù)熱和穩(wěn)定點(diǎn)火源的作用。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪繝t膛內(nèi)壓頭作用流入換熱室與低溫液體直接接觸換熱，后經(jīng)煙囪排入大氣。

1.1.3 高溫?zé)煔饬鲗?duì)換熱的影響

高溫?zé)煔獾膲毫?、速度、溫度等參?shù)分布直接影響著后面與低溫液體介質(zhì)之間的換熱效率，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）高溫?zé)煔獾膲毫σm當(dāng)。如果過(guò)高，在接觸換熱過(guò)程中，一些細(xì)小的液滴會(huì)被煙氣帶出加熱爐，造成熱量損失，致使加熱爐熱效率下降。

2）速度和壓力是一致的，其數(shù)值也應(yīng)適當(dāng)。

3）溫度分布盡可能要均勻。

1.2 低溫液體的流動(dòng)

煙氣與液體介質(zhì)直接換熱主要是高溫?zé)煔馀c低溫液體接觸換熱，其換熱量的計(jì)算公式如下：

式中：A是換熱面積，在這里指的是低溫液體的表面積；h是換熱系數(shù)，其大小與換熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)，不僅取決于流體的物性（λ、 μ、 ρ、cp等）以及換熱表面的形狀、大小與布置，而且還與流速有密切關(guān)系，在這里物性等因素已經(jīng)是定值，所以主要取決于流速；Δt是溫差，在整個(gè)換熱過(guò)程中，高溫?zé)煔夂偷蜏匾后w的溫度隨著換熱的進(jìn)行不斷變化，因此溫差也變化，取對(duì)數(shù)平均溫差Δtm=(ΔTmax- ΔTmin)/ln(ΔTmax/ΔTmin)。

從上面分析可以看出：低溫液體的表面積和流速對(duì)換熱的影響是最大的，因此，從強(qiáng)化換熱的角度考慮，決定采取噴淋的形式（圖1）。在液體循環(huán)系統(tǒng)壓力允許的前提下，應(yīng)盡可能地增大低溫液體的表面積和流速，即：低溫液體是以噴淋的形式進(jìn)入換熱室的，依靠自身的初速度以及重力的作用在換熱室中向下流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中與向上流動(dòng)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行接觸換熱，后落入緩沖罐中。

圖1 噴淋結(jié)構(gòu)示意圖

大慶油田加熱爐所燒濕氣的理論空氣量在14 m3/m3左右，空氣系數(shù)取1.05～1.2。如果燃料氣進(jìn)口溫度為35℃、冷空氣進(jìn)口溫度為20℃，則-T接近21℃，換熱室的換熱效率可超過(guò)95.5%。

1.3 高溫?zé)煔馀c低溫液體之間的接觸換熱機(jī)理

高溫?zé)煔馀c低溫液體直接接觸的換熱原理如下：

1）由于流體之間存在著宏觀運(yùn)動(dòng)，致使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移、冷熱流體相互摻混所引起的對(duì)流換熱。由于兩種流體的流動(dòng)都不是由于密度差所引起的，這里的對(duì)流屬于強(qiáng)制對(duì)流。

（2）由于兩種流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而在對(duì)流換熱的同時(shí)還伴隨著導(dǎo)熱換熱。

通過(guò)上述分析可以看出：高溫?zé)煔馀c低溫水混合換熱既包含有介質(zhì)通過(guò)接觸而進(jìn)行的熱傳導(dǎo)換熱方式，又包含有介質(zhì)通過(guò)相互之間的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的對(duì)流熱量傳遞方式，它是一種混合型的熱量傳遞方式[4]。高溫?zé)煔馀c低溫液體直接接觸換熱的數(shù)學(xué)模型[5-7]由以下5個(gè)方程組成，具體如下：

煙氣和液體的豎直(x)方向的動(dòng)量方程形式相同，即

煙氣和液體的徑向(r)的動(dòng)量方程形式相同，即

煙氣的焓平衡方程為

液體的焓平衡方程為

煙氣含濕率方程為

式中： ρ在不同方程中分別代表煙氣或液體的密度，kg/m3；u、v在不同方程中分別代表煙氣或液體的 x、 r方向速度分量，m/s； P是壓力，Pa；g是重力加速度，m/s2；有效黏性系數(shù) μeff=μ+μt，μ和 μt分別是層流和湍流黏性系數(shù)；內(nèi)部流動(dòng)阻力的垂直分量，Nv是流動(dòng)阻力速度頭數(shù)；內(nèi)部流動(dòng)阻力的徑向分量iG、 il、ig分別是煙氣、液體、蒸汽的焓，J/kg；m″是每單位容積內(nèi)蒸汽質(zhì)量產(chǎn)生率，kg/(m3s)； fG是質(zhì)量含濕率；ΓG、Γl分別是通用的煙氣或水的交換系數(shù)，對(duì)于方程（8），J/m2，對(duì)于方程（9），kg/m2。

1.4 高溫?zé)煔馀c低溫液體直接接觸換熱的特點(diǎn)

高溫?zé)煔馀c低溫液體直接接觸換熱的特點(diǎn)如下：

1）由于高溫?zé)煔馀c低溫液體介質(zhì)之間混合換熱沒(méi)有傳熱面，所以該種熱量傳遞方式換熱效率高、熱阻小。

2）由于該種熱量傳遞方式不存在結(jié)垢問(wèn)題，其工作熱效率能夠始終維持在一定程度上，減少了結(jié)垢現(xiàn)象帶來(lái)的大量能量損耗，所以實(shí)際運(yùn)行熱效率高。

3）在液體介質(zhì)與煙氣混合換熱的同時(shí)，煙氣中未完全燃燒的碳黑固體和有害氣體會(huì)隨著霧狀液體一同落至煙道底部，凈化了煙氣，有利于環(huán)保。

2 煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式油田加熱爐

在煙氣與液體介質(zhì)直接換熱機(jī)理研究基礎(chǔ)上，研制了煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式加熱爐（圖2）。其主要由燃燒道、換熱室（內(nèi)有兩個(gè)噴頭）、緩沖室等部分組成。來(lái)液介質(zhì)由兩路進(jìn)入加熱爐：一路是直接進(jìn)入加熱爐煙道底部的換熱室，從上面位置的噴頭噴出，與高溫?zé)煔庵苯訐Q熱；另一路是先進(jìn)入緩沖室，由下面位置的噴頭噴出，與煙氣直接接觸換熱。被高溫?zé)煔饧訜岷蟮慕橘|(zhì)進(jìn)入緩沖室緩沖后流出加熱爐。在此加熱爐中，有一個(gè)緩沖室，對(duì)加熱后的介質(zhì)起到緩沖的作用。在緩沖室側(cè)面還有補(bǔ)液管和排污管。在液位過(guò)低時(shí)，補(bǔ)液管上的閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，對(duì)加熱爐補(bǔ)水。排污管定期開(kāi)啟，把緩沖室內(nèi)部沉淀下來(lái)的污物排出加熱爐。由于其不承壓、不在爐膛和煙道內(nèi)加設(shè)許多管道，故降低了成本，縮小了體積；又因?yàn)闊煹乐斜患訜岬囊后w介質(zhì)與大氣相通，因此運(yùn)行安全可靠。在霧狀液體和煙氣混合換熱的同時(shí)，煙氣中未完全燃燒的碳黑固體、有害氣體會(huì)隨著霧狀液體一同落至煙道底部，凈化了煙氣，有利于環(huán)保。

圖2 煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式加熱爐示意圖與樣機(jī)照片

在確定煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式油田加熱爐結(jié)構(gòu)后，完成了樣機(jī)設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)4.3m，高5m，重5.3t。其耗鋼量與其他在用加熱爐對(duì)比見(jiàn)表1。該樣機(jī)所需鋼材為在用0.58MW二合一加熱爐的37%。

表1 0.58MW油田加熱爐的耗鋼量對(duì)比

3 樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程

煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式油田加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。冷水由站內(nèi)冷水管線經(jīng)截止閥4、流量計(jì)2和3、截止閥2和3分別進(jìn)入加熱爐煙道和水套中；被加熱的熱水由加熱爐流出，經(jīng)截止閥5進(jìn)入站內(nèi)熱水管線，完成站內(nèi)供熱任務(wù)。當(dāng)加熱爐內(nèi)部液面低于規(guī)定液面，清水會(huì)自動(dòng)由清水管線經(jīng)截止閥1、流量計(jì)1、疏水閥進(jìn)入加熱爐內(nèi)，對(duì)加熱爐進(jìn)行補(bǔ)水[8]。

圖3 煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式油田加熱爐試驗(yàn)系統(tǒng)流程

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)安裝調(diào)試好后，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。樣機(jī)熱效率超過(guò)90%，較常規(guī)加熱爐提高了10個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)氣量達(dá)到11.2%以上。

4 結(jié)論

基于高溫?zé)煔馀c低溫液體直接換熱的機(jī)理研究，研制出煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式油田加熱爐，其在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取得了較好的應(yīng)用效果。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1）該加熱爐既具備加熱功能，又具有緩沖功能（緩沖時(shí)間為15min）。其耗鋼量為5.3t，與同負(fù)荷現(xiàn)有負(fù)壓加熱爐相比，節(jié)約鋼材63%以上。

2）完成煙氣與液體介質(zhì)直接換熱式油田加熱爐樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，其熱效率較常規(guī)加熱爐超過(guò)90%。