相變換熱技術(shù)在油氣集輸加熱設(shè)備中的應(yīng)用

陳昱希

摘要：傳統(tǒng)的管式加熱爐和水套爐，以其加熱均勻等優(yōu)勢(shì)，在油氣集輸工程中得到廣泛的應(yīng)用。隨著能源日趨緊張以及各油氣田能源政策的調(diào)整，傳統(tǒng)的管式爐和水套爐，以其水容量大、升溫慢、外型尺寸大、鋼材耗量大、成本高、耗能高等缺點(diǎn)，將逐漸被新一代加熱設(shè)備所取代。一方面，隨著傳熱理論與技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，將相變換熱技術(shù)應(yīng)用于加熱設(shè)備的相變加熱爐，不但有效的解決了傳統(tǒng)加熱爐換熱元件傳熱效率較低的問題。同時(shí)相變加熱爐在制造、運(yùn)行成本和熱效率方面比傳統(tǒng)加熱爐有很大的優(yōu)勢(shì)，近幾年在油氣田集輸工程中得到快速的發(fā)展和應(yīng)用。本文分析了相變換熱技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了真空相變加熱爐的工作原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：油氣集輸加熱；相變換熱；真空相變加熱爐；系列產(chǎn)品；應(yīng)用

1相變換熱的技術(shù)特點(diǎn)

（1）相變鍋爐在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可以采用較低壓力的中間熱媒體，汽化潛熱比較大，可以減少換熱管的傳熱面積，由于換熱管外部為冷凝換熱，內(nèi)部為被加熱介質(zhì)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，所以即使采用一般的碳鋼管，傳熱系數(shù)也很大。（2）相變鍋爐在停運(yùn)后再啟動(dòng)時(shí)，需適當(dāng)排出少量蒸汽而將漏人的空氣帶走。由于排除空氣時(shí)要帶走一定蒸汽，鍋爐水位會(huì)有少量下降，水位降至最低允許水位之前，應(yīng)補(bǔ)充中間熱媒水，使水位升高至最高允許水位。運(yùn)行實(shí)踐表明，如果中間熱媒水采用潔凈自來水，在一個(gè)采暖期內(nèi)就不需要采取排污措施，因在一個(gè)采暖期內(nèi)，中間熱媒水的硬度和鹽濃度增加不多，不會(huì)超過防止結(jié)水垢的允許值。（3）相變鍋爐在系統(tǒng)水質(zhì)欠佳條件下，因與火焰、高溫?zé)煔饨佑|的受熱面不與循環(huán)介質(zhì)直接接觸，所以安全可靠性得到了根本的改善。而傳統(tǒng)的行業(yè)用加熱爐需配備專門的水處理設(shè)施，如果水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，加熱爐在運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，傳熱元件易結(jié)水垢，導(dǎo)致過熱變形或氧化并造成減薄、穿孔或開裂等現(xiàn)象的發(fā)生，更為嚴(yán)重的是，傳熱元件結(jié)水垢后影響傳熱，浪費(fèi)大量的能源。而相變加熱爐在采用潔凈自來水的情況下，能有效解決上述問題

2相變加熱爐工作原理

加熱爐采用相變換熱技術(shù)，即將加熱爐殼體內(nèi)封閉空間分為氣化空間和相變空間，通過燃料的燃燒加熱殼體內(nèi)水介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽上升到相變空間與低于飽和溫度的換熱管接觸，凝結(jié)放出相變熱，即氣化潛熱，將熱量通過換熱管傳遞給管內(nèi)被加熱介質(zhì)，蒸汽冷凝放熱后冷凝回氣化空間，如此循環(huán)往復(fù)的將熱量傳遞給換熱管內(nèi)被加熱介質(zhì)。相變加熱爐通常采用蒸汽橫掠水平管進(jìn)行換熱。在相變換熱過程中，蒸汽的凝結(jié)通常有膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于珠狀凝結(jié)不能夠長(zhǎng)久的保持，一般認(rèn)為蒸汽的凝結(jié)主要是膜狀凝結(jié)。因此，相變加熱爐從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，為保證凝結(jié)效果，只能以膜狀凝結(jié)的相關(guān)計(jì)算公式作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。相變加熱爐主要特點(diǎn)是爐內(nèi)熱媒溫度基本保持不變，并在相對(duì)較小的溫差下，達(dá)到較高強(qiáng)度的放熱和吸熱的目的，因而加熱爐外形尺寸相對(duì)縮小。運(yùn)用相變換熱技術(shù)的加熱爐，由于殼體內(nèi)水介質(zhì)能夠往復(fù)循環(huán)使用。因此，相變加熱爐無需經(jīng)常補(bǔ)水，也就減少了殼體內(nèi)及水介質(zhì)的氧含量，有效的減輕了殼體金屬的氧腐蝕，增加了設(shè)備的使用壽命。

3相變加熱爐工程應(yīng)用

3.1真空相變加熱爐的工程應(yīng)用

實(shí)際工程應(yīng)用中，真空相變加熱爐的換熱器可根據(jù)實(shí)際情況或用戶要求選擇熱交換器形式與結(jié)構(gòu)。如圖1為一體式真空相變加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。真空相變加熱爐在運(yùn)行過程中，換熱器所在的上部空間既是相變空間，也是真空室。加熱爐啟動(dòng)后，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過爐膽和煙管傳給水介質(zhì)，水介質(zhì)在爐內(nèi)真空狀態(tài)下產(chǎn)生蒸汽，與在真空室內(nèi)的換熱器進(jìn)行相變換熱，然后凝結(jié)水回流到氣化空間，如此往復(fù)進(jìn)行，完成傳熱過程。

真空相變加熱爐在運(yùn)行的過程中，爐體的內(nèi)部壓力一般處于-0.02MPa～0.08MPa的真空狀態(tài)下。爐內(nèi)的水介質(zhì)是脫氧的軟化水，無腐蝕，無水垢。另一方面，加熱爐在運(yùn)行過程中，水介質(zhì)始終可以循環(huán)使用，不會(huì)增加新的含氧空氣，不至于發(fā)生氧腐蝕現(xiàn)象，從而使加熱爐壽命長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，因此安全性能相對(duì)較高，基本無安全隱患。真空相變加熱爐在設(shè)計(jì)中采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)便，設(shè)備體積小，使產(chǎn)品易于運(yùn)輸、安裝，與相同負(fù)荷的傳統(tǒng)加熱爐相比較，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本類產(chǎn)品，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，一臺(tái)1000kW真空相變加熱爐一天可節(jié)省燃料油約0.64噸。

3.2分體式相變加熱爐的工程應(yīng)用

由于適應(yīng)大負(fù)荷和不同模塊的可更換替代性，分體式相變加熱爐得到了廣泛的應(yīng)用。既可采用真空相變，也可采用帶壓相變。如圖2所示為一分體相變加熱爐。分體式相變加熱爐主要由爐體和換熱器組成。爐體結(jié)構(gòu)借鑒鍋殼鍋爐的設(shè)計(jì)理念，換熱器結(jié)構(gòu)可采用列管、盤管型式，還可應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)型式換熱器。蒸汽通過專門的管路進(jìn)入上部換熱器殼體，在換熱器殼體內(nèi)完成相變換熱過程，然后通過冷凝管路返回下部爐體內(nèi)。分體式相變加熱爐在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了設(shè)備荷重和安裝現(xiàn)場(chǎng)的條件、風(fēng)載和換熱器運(yùn)行振動(dòng)等因素。為保護(hù)下部爐體不承受外加載荷，以免造成爐體受損，采用了無受力分體結(jié)構(gòu)方案。即爐體與換熱器之間只進(jìn)行汽水介質(zhì)的能量傳輸，換熱器的重量則通過鋼結(jié)構(gòu)傳遞給基礎(chǔ)，而爐體完全不受外部載荷，爐體與換熱器采用金屬波紋管法蘭軟連接。爐體和換熱器可以根據(jù)使用情況分別進(jìn)行更換，有效地提高了設(shè)備整體的使用壽命，降低了投資和運(yùn)行成本。

4結(jié)語

采用相變換熱技術(shù)，加熱爐在金屬耗量和熱效率方面有了很大的改進(jìn)，可以很好地取代傳統(tǒng)加熱爐進(jìn)行油田地面集輸系統(tǒng)油氣水及其混合物的加熱，適合油田油氣集輸?shù)纳a(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理要求與發(fā)展趨勢(shì)。真空相變加熱爐，屬于常壓類容器，簡(jiǎn)化了報(bào)批、年審等手續(xù)，操作無需持證。同時(shí)真空加熱爐以其高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)，具有體積小、升溫快，熱效率高、安全可靠、管理方便的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在各大油田得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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