劉小鋒， 蘇海鵬

（華油惠博普科技股份有限公司 北京分公司， 北京 100088）

油田間接加熱爐是油氣集輸與儲運過程中的重要設(shè)備之一， 它的主要功能是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，通過中間介質(zhì)水傳遞給原油、天然氣及井產(chǎn)物，使其被加熱到工藝要求的溫度，然后進行輸送、沉降、分離、脫水和初加工等過程。 在國內(nèi)外油田間接加熱爐工程應(yīng)用中， 主要以SY/T 5262—2017 《 火 筒 式 加 熱 爐 規(guī) 范》［1］、GB/T 21435—2008 《相變加熱 爐》［2］、API SPEC 12K—2008 “Specification for Indirect Type Oilfield Heaters”［3］以及ASME 鍋爐壓力容器規(guī)范［4-6］作為主要設(shè)計建造標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和API 標(biāo)準(zhǔn)對爐體部分設(shè)計的主要特點是， 殼體多采用橢圓封頭與圓形筒體加U 型火筒， 并按照壓力容器的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行火筒和殼體的強度校核，且API 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在國際上被廣泛應(yīng)用［7］。而國內(nèi)國家標(biāo)準(zhǔn)和ASME 鍋爐壓力容器規(guī)范中， 爐體多采用鍋殼鍋爐的結(jié)構(gòu)型式， 火筒采用室燃爐膽加回燃室的結(jié)構(gòu)型式［8-9］。 因此，對相同設(shè)計熱負荷特別是大負荷的油田間接加熱爐， 采用不同的設(shè)計建造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 其金屬消耗量和外形尺寸會存在相當(dāng)大的差別。

文中結(jié)合國外某油田原油處理裝置間接加熱爐的設(shè)計選型， 對油田間接加熱爐分類和型式進行歸納，在既有工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，計算了該原油處理項目間接加熱爐的設(shè)計熱負荷， 通過火筒與熱交換器的傳熱計算， 提出了按照不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和規(guī)則設(shè)計建造的間接加熱爐方案， 給出了大負荷油田間接加熱爐選型的最優(yōu)方案和建議。

1 油田間接加熱爐分類與型式

根據(jù)現(xiàn)行的國內(nèi)外間接加熱爐設(shè)計建造標(biāo)準(zhǔn)，從工藝參數(shù)考慮，以中間載熱介質(zhì)（主要指軟化水及其混合物）的設(shè)計與工作參數(shù)為主，可以將間接加熱爐分為水套爐和相變加熱爐（圖1）。

圖1 按工藝參數(shù)分類的間接加熱爐類型

從整體結(jié)構(gòu)，即熱源（指產(chǎn)熱部分）與熱用戶（指用熱部分的熱交換器） 的相互結(jié)構(gòu)關(guān)系考慮，間接加熱爐可分為整體式（或一體式）水套爐、整體式（或一體式）相變加熱爐與分體式相變加熱爐（圖2）。

圖2 按整體結(jié)構(gòu)分類的間接加熱爐類型

從局部結(jié)構(gòu)考慮， 主要是對間接加熱爐燃燒系統(tǒng)、承載熱源及熱交換器的結(jié)構(gòu)型式進行區(qū)分。不管是水套爐還是相變加熱爐， 其主要組成結(jié)構(gòu)均可分為兩類， 即爐體和火筒采用鍋殼鍋爐與室燃爐膽、壓力容器（橢圓封頭與圓形筒體組合）與U 型火筒這2 種類型（圖3）。

圖3 按局部結(jié)構(gòu)分類的間接加熱爐類型

2 間接加熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核差異

2.1 整體式間接加熱爐

國內(nèi)外常用的整體式間接加熱爐主要有2 種結(jié)構(gòu)型式，其在外形上有明顯區(qū)別，分別體現(xiàn)了壓力容器和鍋殼鍋爐的特征［10］。 對壓力容器式間接加熱爐， 其受壓元件的強度校核計算按照壓力容器的計算規(guī)則進行。而對鍋殼鍋爐式間接加熱爐，除了加熱盤管可以按照壓力容器的計算規(guī)則進行強度校核外， 其余部分受壓元件均按照鍋殼鍋爐的設(shè)計計算方法進行驗證， 甚至加熱盤管也可以按照鍋殼鍋爐或水管鍋爐的設(shè)計計算方法進行強度校核。

為滿足石油工業(yè)工藝裝置安全性能的要求，油田間接加熱爐的設(shè)計建造主要采用壓力容器的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算方法， 其局部結(jié)構(gòu)集中體現(xiàn)了壓力容器的橢圓封頭、U 型火筒等特點。 而按照鍋殼鍋爐設(shè)計方法設(shè)計的油田間接加熱爐結(jié)構(gòu)則集中體現(xiàn)了鍋殼鍋爐的平管板、 波形爐膽等特點， 此結(jié)構(gòu)加熱爐大約從2000 年開始在國內(nèi)油田得到應(yīng)用， 主要以寧夏三新真空鍋爐制造有限公司、北京超拓遠大石油科技有限公司、山東駿馬石油設(shè)備制造集團有限公司和唐山冀東石油機械有限責(zé)任公司等企業(yè)為早期開發(fā)者。

2.2 分體式相變加熱爐

分體式間接加熱爐主要以分體式相變加熱爐的型式出現(xiàn)，其特征是換熱裝置位于爐體之外［11-12］。分體式相變加熱爐的換熱裝置可采用盤管， 也可采用標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器， 而爐體部分則采用壓力容器加U 型火筒或鍋殼鍋爐的室燃爐膽的結(jié)構(gòu)型式。 對傳統(tǒng)壓力容器式爐體加U 型火筒并外加標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器型式， 對流部分采用細煙管以增強傳熱。 對鍋殼鍋爐爐體加盤管的分體式相變加熱爐， 燃燒傳熱元件采用波形爐膽與對流煙管組合的型式［13-14］。

3 間接加熱爐設(shè)計要求與選型

3.1 被加熱介質(zhì)工藝參數(shù)與熱負荷

馬基努油田原油處理裝置被加熱介質(zhì)為氣、液混合物， 進液溫度85 ℃（夏季工況）/65 ℃（冬季工況）、出液溫度105 ℃，被加熱介質(zhì)質(zhì)量流量約291 262 kg/h（夏季工況）/297 667 kg/h（冬季工況），具體工藝參數(shù)見表1。

表1 不同工況下馬基努油田原油處理裝置被加熱介質(zhì)工藝參數(shù)

3.2 加熱爐設(shè)計熱負荷與設(shè)計參數(shù)確定

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，按照文獻［15］中的加熱爐負荷計算公式，得到夏季工況、冬季工況間接加熱爐的總熱負荷分別為3 764 kW、7 870 kW。 可以看出，冬季屬于加熱負荷最大的階段，因此以冬季工況的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算加熱爐設(shè)計熱負荷。 油田間接加熱爐的設(shè)計運行熱效率通常為80%～90%，在不考慮爐體散熱的情況下， 其總的計算熱負荷為8 744.4～9 837.5 kW。選用較低計算熱負荷并考慮1.1 倍設(shè)計余量， 最終確定加熱爐總設(shè)計熱負荷為10 000 kW。根據(jù)初步設(shè)計估算的加熱爐外形尺寸和加熱爐標(biāo)準(zhǔn)熱負荷型譜， 確定加熱單元共設(shè)置間接加熱爐2 臺， 每臺加熱爐的設(shè)計熱負荷為5 000 kW。

考慮到被加熱介質(zhì)出口溫度要求在105 ℃，根據(jù)計算確定的加熱爐設(shè)計熱負荷， 必須采用溫度較高的設(shè)計參數(shù)， 且設(shè)計溫度至少要高于被加熱介質(zhì)溫度15～20 ℃。 結(jié)合業(yè)主方對間接加熱爐的要求、介質(zhì)出口溫度和相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等因素，最終確定間接加熱爐設(shè)計參數(shù)為，設(shè)計熱負荷5 000 kW、殼體設(shè)計壓力0.6 MPa（G）、殼體設(shè)計溫度-29～154 ℃、殼體操作壓力0.4 MPa（G）、殼體操作溫度145 ℃。

3.3 加熱爐火筒熱力計算與熱交換器選型

根據(jù)確定的加熱爐設(shè)計參數(shù)， 依據(jù)不同設(shè)計建造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出了6 種加熱爐方案，按照《鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法》［16］進行了不同結(jié)構(gòu)型式加熱爐火筒的熱力計算，計算結(jié)果見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)型式間接加熱爐火筒熱力計算結(jié)果

根據(jù)熱交換器的型式選擇各方案對應(yīng)熱交換器的計算方法， 其中盤管型式熱交換器采用自編的盤管熱交換器計算程序計算， 并結(jié)合行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗加以確定。 標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器采用專用的國際通用熱交換器計算軟件進行選型計算， 結(jié)果見表3。

表3 間接加熱爐熱交換裝置選型計算結(jié)果

根據(jù)表2 和表3 的計算結(jié)果可知， 各方案均能滿足加熱爐工藝運行要求， 其中方案5 加熱爐的排煙溫度較高、 計算熱效率較低且燃料消耗量相對較高，而其他方案加熱爐的排煙溫度、計算熱效率及燃料消耗量都比較合適。

3.4 加熱爐結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)表2、表3 的計算結(jié)果，給出了幾種傳統(tǒng)U 型火筒加熱爐結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 所示幾種結(jié)構(gòu)均按照壓力容器體系和設(shè)計理念進行強度校核， 而方案6 加熱爐的爐體部分按照鍋殼鍋爐的型式進行設(shè)計和強度校核，得到的不同結(jié)構(gòu)型式加熱爐計算結(jié)果見表4。從表4可以看出， 采用鍋殼鍋爐與標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器的分體式相變加熱爐設(shè)計方案， 其在金屬消耗量和外形尺寸方面具有較大優(yōu)勢。 這種結(jié)構(gòu)比較緊湊、布置集中，對加熱爐整體金屬消耗量和外形尺寸的影響比較明顯。 但考慮到國外油氣田間接加熱爐是采用壓力容器體系設(shè)計的， 故推薦采用表4 中方案3 的加熱爐結(jié)構(gòu)， 既滿足國外建造標(biāo)準(zhǔn)的要求， 又具有同類型加熱爐中金屬消耗量和外形尺寸最小的優(yōu)勢。

圖4 傳統(tǒng)U 型火筒加熱爐結(jié)構(gòu)示圖

表4 不同結(jié)構(gòu)型式加熱爐選型計算結(jié)果

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)有的加熱爐技術(shù)水平和國外有關(guān)項目應(yīng)用實踐，在壓力容器體系下，采用傳統(tǒng)U 型火筒和標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器的分體式加熱爐, 其整體金屬消耗量和外形尺寸具有良好的優(yōu)勢。 而在鍋爐標(biāo)準(zhǔn)體系下， 由于按照鍋殼鍋爐方法設(shè)計的設(shè)備受熱面結(jié)構(gòu)布置比較緊湊， 因此相應(yīng)的加熱爐外形結(jié)構(gòu)尺寸和金屬消耗量也比較小， 且采用標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器的分體式相變加熱爐設(shè)計方案，加熱爐具有最小的金屬消耗量和外形尺寸。

實際應(yīng)用證明， 采用鍋殼鍋爐方法設(shè)計的油田間接加熱爐具有金屬消耗量低、 外形尺寸小及成本低等優(yōu)勢［17-18］。 但壓力容器設(shè)計方法在油田設(shè)備設(shè)計中應(yīng)用廣泛， 國外項目中間接加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核主要采用壓力容器設(shè)計方法，采用鍋殼鍋爐設(shè)計方法的相對比較少，因此，建議在進行國外項目間接加熱爐設(shè)計中采用壓力容器設(shè)計方法。