勝利油田聯(lián)合站在用水套加熱爐高效運(yùn)行分析

唐振 鄭煒博 胡曉峰 楊秀麗 李煒

（1.中國石油大學(xué)（華東）；2.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心）

勝利油田聯(lián)合站在用水套加熱爐高效運(yùn)行分析

唐振1鄭煒博2胡曉峰2楊秀麗2李煒2

（1.中國石油大學(xué)（華東）；2.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心）

水套加熱爐作為勝利油田聯(lián)合站主要的耗能設(shè)備，其運(yùn)行能效的高低對(duì)聯(lián)合站能耗高低有直接影響。通過對(duì)聯(lián)合站水套加熱爐的定負(fù)荷下盤管傳熱、定燃料量下空氣系數(shù)α與熱效率的關(guān)系和定負(fù)荷下仿真計(jì)算的分析，得出聯(lián)合站水套加熱爐在定負(fù)荷運(yùn)行下燃料完全燃燒時(shí)，空氣系數(shù)越低能效越高。從而進(jìn)一步得出結(jié)論：對(duì)于聯(lián)合站水套加熱爐在任意負(fù)荷下只要達(dá)到完全燃燒時(shí)的最低空氣系數(shù)α就能實(shí)現(xiàn)其高效運(yùn)行，為指導(dǎo)聯(lián)合站水套加熱爐的高效運(yùn)行提供理論依據(jù)。

聯(lián)合站水套加熱爐；盤管傳熱；空氣系數(shù)與熱效率；仿真計(jì)算；分析

在勝利油田聯(lián)合站生產(chǎn)運(yùn)行中水套加熱爐的作用通常是為保證介質(zhì)出口溫度，而忽視了加熱爐的高效運(yùn)行，導(dǎo)致加熱爐能效低、能耗高，造成了燃料的浪費(fèi)。通過對(duì)聯(lián)合站水套加熱爐定負(fù)荷下盤管傳熱分析結(jié)合加熱爐定燃料量下空氣系數(shù)與加熱爐效率分析，就能得出水套加熱爐高效運(yùn)行的工況條件，從而對(duì)聯(lián)合站水套加熱爐高效運(yùn)行采取合理的調(diào)節(jié)措施。

1 聯(lián)合站水套加熱爐定負(fù)荷下盤管傳熱分析

水套加熱爐通過中間熱載體水將熱量傳遞給盤管中被加熱介質(zhì)，使被加熱介質(zhì)獲得熱量，溫度升高。水套加熱爐的盤管換熱計(jì)算方程[1]如下：

式中：P——加熱爐熱負(fù)荷，kW；

Ac——盤管換熱面積，m2；

Δtm——盤管的對(duì)數(shù)傳熱溫差，℃；

k——盤管總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

對(duì)于同一臺(tái)水套加熱爐其盤管換熱面積Ac是固定不變的，在定負(fù)荷狀態(tài)下，若盤管總傳熱系數(shù)k升高，則盤管的對(duì)數(shù)傳熱溫差Δtm必須降低才能滿足聯(lián)合站水套加熱爐負(fù)荷不變。

對(duì)于盤管的對(duì)數(shù)傳熱溫差[2]Δtm，由于水套加熱爐盤管是浸泡在熱載體水中的，所以盤管的對(duì)數(shù)傳熱溫差Δtm計(jì)算如下：

當(dāng)被加熱介質(zhì)為原油或天然氣時(shí)，盤管的總換熱系數(shù)k可由下式求得：

式中：αi——管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

γi——管內(nèi)污垢導(dǎo)熱熱阻，(m2·℃)/W；

γp——盤管壁面熱阻，(m2·℃)/Wδ為盤管壁厚，m；λp為盤管壁面熱導(dǎo)率，W/(m·℃)）；

γo——管外污垢導(dǎo)熱熱阻，(m2·℃)/W；

αo——管外對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。對(duì)于管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)[3]αi，計(jì)算如下：管內(nèi)液體或氣體呈層流狀態(tài)（Re≤2100；時(shí)，

管內(nèi)液體呈過渡流狀態(tài)（2.3×103＜Re≤104；1.5＜Pr＜500；0.05＜Pr/Prw＜20）時(shí)，

管內(nèi)液體呈紊流狀態(tài)（Re＞104；0.7＜Pr＜16.7×103）時(shí)，

式中：λ——被加熱介質(zhì)在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Dic——盤管內(nèi)直徑，m；

Re——介質(zhì)在平均溫度下的雷諾數(shù)；

Pr——介質(zhì)在平均溫度下的普朗特?cái)?shù)；

Prw——介質(zhì)在壁面溫度下的普朗特?cái)?shù)；

μ——介質(zhì)在平均溫度下的動(dòng)力黏度，Pa·s；

μw——介質(zhì)在管壁溫度下的動(dòng)力黏度，Pa·s。

對(duì)水套加熱爐而言，其盤管結(jié)構(gòu)、尺寸以及排列方式對(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)的影響是固定不變的；又因?yàn)槁?lián)合站水套加熱爐被加熱介質(zhì)的進(jìn)出口溫度變化不大，導(dǎo)致定負(fù)荷狀態(tài)下其介質(zhì)流速和平均溫度變化不大[3]。綜上兩個(gè)原因，定負(fù)荷下影響聯(lián)合站水套加熱爐盤管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)變化的主要參數(shù)是μw和Prw，且在層流和紊流狀態(tài)下管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)αi隨μw增大而減小，在過渡流狀態(tài)下管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)αi隨Prw增大而減小。

μw和Prw分別為介質(zhì)在管壁溫度下的動(dòng)力黏度和介質(zhì)在壁面溫度下的普朗特?cái)?shù)，兩者與水套加熱爐盤管內(nèi)壁面溫度呈單調(diào)遞減關(guān)系；盤管內(nèi)壁面溫度與水浴溫度t2呈單調(diào)遞增關(guān)系。根據(jù)函數(shù)關(guān)系傳遞性可知，μw和Prw與水浴溫度t2呈單調(diào)遞減關(guān)系，則管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)αi與水浴溫度t2呈單調(diào)遞增關(guān)系。

對(duì)于管壁的導(dǎo)熱熱阻γp，盤管壁厚δ不變，盤管壁面熱導(dǎo)率λp隨水浴溫度t2的增大而增大，導(dǎo)致管壁的導(dǎo)熱熱阻γp與水浴溫度t2呈單調(diào)遞減關(guān)系；對(duì)于管內(nèi)污垢導(dǎo)熱熱阻γi和管外污垢導(dǎo)熱熱阻γo，兩者與水浴溫度t2呈單調(diào)遞減關(guān)系。

對(duì)于管外對(duì)流換熱系數(shù)αo，由于水套加熱爐盤管是浸泡在熱載體水中，導(dǎo)致水套加熱爐盤管的管外對(duì)流換熱系數(shù)αo與Gr·Prw（Gr為格拉曉夫數(shù)；Prw為熱載體水在平均溫度下的普朗特?cái)?shù)）呈單調(diào)遞增關(guān)系；在剔除水套加熱爐結(jié)構(gòu)及其尺寸的影響下，管外對(duì)流換熱系數(shù)αo與水浴溫度t2呈單調(diào)遞增關(guān)系。

綜合以上原因可知，聯(lián)合站水套加熱爐盤管的總換熱系數(shù)k與水浴溫度t2呈單調(diào)遞增關(guān)系。結(jié)合盤管的對(duì)數(shù)傳熱溫差Δtm與水浴溫度t2的關(guān)系，最終得出定負(fù)荷下聯(lián)合站水套加熱爐盤管的總換熱系數(shù)k與盤管的對(duì)數(shù)傳熱溫差Δtm呈單調(diào)遞增關(guān)系。

根據(jù)式（1），結(jié)合上述分析可知，在定負(fù)荷狀態(tài)下聯(lián)合站水套加熱爐盤管的對(duì)數(shù)傳熱溫差Δtm、盤管總傳熱系數(shù)k和水浴溫度t2是不變的。進(jìn)一步得出在滿足定負(fù)荷下，聯(lián)合站水套加熱爐的燃料量和空氣系數(shù)不論是多大，其爐內(nèi)綜合傳熱量（火筒和煙管傳熱量）是不變的。

2 定燃料量下空氣系數(shù)α與加熱爐效率關(guān)系分析

加熱爐是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為被加熱介質(zhì)的熱能，其能量平衡公式為

式中：qf——燃料帶入爐內(nèi)的熱量，W；

q1——加熱爐有效利用熱量，W；

q2——加熱爐排煙熱損失，W；

q3——?dú)怏w不完全燃燒熱損失，W；

q4——固體不完全燃燒熱損失，W；

q5——表面散熱損失，W。

設(shè)qi為爐內(nèi)綜合傳熱量，則

其中q1=P，對(duì)于爐內(nèi)綜合傳熱量qi其大小主要受爐氣溫度Tg的影響，爐氣溫度越高其綜合傳熱量越大；對(duì)于定燃料量下的加熱爐，當(dāng)空氣系數(shù)α剛好滿足完全燃燒時(shí)爐氣溫度最高，排煙損失最小。以此類推，在任意燃料量下，當(dāng)空氣系數(shù)α剛好滿足完全燃燒時(shí)，加熱爐排煙損失最小，加熱爐效率最高。這也與文獻(xiàn)[4]結(jié)論相似。

當(dāng)燃料完全燃燒時(shí)，其能量平衡式為

對(duì)于定負(fù)荷下運(yùn)行的水套加熱爐其爐內(nèi)傳熱量qi變化不大，這就導(dǎo)致如果想使定負(fù)荷下水套加熱爐高效運(yùn)行，必須降低排煙損失q2。結(jié)合定燃料量下空氣系數(shù)α與加熱爐效率關(guān)系分析，當(dāng)空氣系數(shù)α剛好滿足完全燃燒時(shí)定負(fù)荷下運(yùn)行的水套加熱爐效率最高。以此類推，水套加熱爐在任意負(fù)荷下，當(dāng)空氣系數(shù)α剛好滿足完全燃燒時(shí)，水套加熱爐運(yùn)行效率最高，能耗最低[5-6]。

3 定負(fù)荷下仿真計(jì)算分析

通過對(duì)額定負(fù)荷為200 kW的加熱爐完全燃燒下仿真計(jì)算分析，得出定負(fù)荷下聯(lián)合站水套加熱爐效率隨空氣系數(shù)的變化關(guān)系（圖1）；定負(fù)荷下聯(lián)合站水套加熱爐的爐內(nèi)綜合傳熱量隨空氣系數(shù)的變化（表1）。任意加熱爐負(fù)荷下，當(dāng)空氣系數(shù)α剛好滿足完全燃燒時(shí)，定負(fù)荷下運(yùn)行的水套加熱爐效率最高。

圖1 定負(fù)荷下空氣系數(shù)對(duì)熱效率的影響

表1 定負(fù)荷下空氣系數(shù)對(duì)熱效率的影響

由表1可知，在定負(fù)荷條件下，聯(lián)合站水套加熱爐的爐內(nèi)傳熱量變化不大。

4 結(jié)論

1）在滿足定負(fù)荷下，聯(lián)合站水套加熱爐的燃料量和空氣系數(shù)不論多大，其爐內(nèi)綜合傳熱量（火筒和煙管傳熱量）變化不大。

2）對(duì)于任意燃料量下，當(dāng)空氣系數(shù)α剛好滿足完全燃燒時(shí)，加熱爐排煙損失最小，加熱爐效率最高。

3）通過對(duì)水套加熱爐定負(fù)荷下盤管傳熱分析并結(jié)合加熱爐定燃料量下空氣系數(shù)α與加熱爐效率分析，得出聯(lián)合站水套加熱爐在任意負(fù)荷下當(dāng)空氣系數(shù)α剛好滿足完全燃燒時(shí)，水套加熱爐的能耗最低、運(yùn)行效率最高。

[1]鄧壽祿，王貴生.油田加熱爐[M].北京：中國石化出版社，2011：124-125.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：474-477.

[3]石油規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.火筒式加熱爐熱力與阻力計(jì)算方法：SY/T 0535—1994[S].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[4]袁寶歧，蔡惕民，袁名炎.加熱爐原理與設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1989：83-89.

[5]邢航，刁?？。T艷麗.水套加熱爐傳熱計(jì)算優(yōu)化及應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2014，36（8）：200-203.

[6]于彩霞，曹偉武，嚴(yán)平，等.天然氣加熱爐的熱力計(jì)算與分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）：59-63.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.005

2017-01-19

（編輯 張興平）

唐振，中國石油大學(xué)（華東）（儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程專業(yè)），在讀研究生，E-mail：877232125@qq. com，地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號(hào)工科樓D513室，266580。