500kW相變加熱爐對(duì)比設(shè)計(jì)

陶保林+汪志福+姜力+何勇

摘 要：相變加熱爐在油氣集輸工程中得到了廣泛的應(yīng)用，在降低能耗方面發(fā)揮了重要的作用，目前使用的相變加熱爐大體分為一體式及分體式，可以說(shuō)兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)前還沒有文獻(xiàn)對(duì)滿足同等熱力要求的不同結(jié)構(gòu)型式的加熱爐進(jìn)行比較設(shè)計(jì)，該文正是在這種背景下，針對(duì)某油田公司提供的加熱爐技術(shù)要求，對(duì)能夠滿足該技術(shù)中熱力要求的加熱爐進(jìn)行了兩種結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)及計(jì)算，并比較了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為此種規(guī)格型式的相變加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：加熱爐 ?相變 ?設(shè)計(jì) ?對(duì)比

中圖分類號(hào)：TE974 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0058-03

相變加熱爐是將燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給中間介質(zhì)水使其變?yōu)轱柡驼羝?，飽和蒸汽通過相變換熱將熱量傳遞給被加熱介質(zhì)而使其溫度升高的一種加熱設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于油氣集輸系統(tǒng)中，將原油、天然氣及采出液加熱到工藝所要求的溫度，以便進(jìn)行輸送、沉降、分離、脫水和初加工[1]。有研究表明相對(duì)于傳統(tǒng)型式的水裕加熱爐而言，真空相變加熱爐具有效率較高，自動(dòng)化控制程度較高、處理量較大、結(jié)構(gòu)易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)[2]。該文正是在此背景下對(duì)某油田需要的加熱爐進(jìn)行了真空相變型式的設(shè)計(jì)，并對(duì)此種規(guī)格的加熱爐設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)型式，以期為相變加熱爐在結(jié)構(gòu)的選擇上提供參考。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

相變爐工作壓力為MPa（A），爐體設(shè)計(jì)壓力為MPa（A）。

加熱介質(zhì)為含水原油（含水40%）。

凈化油量為570 t/d，進(jìn)爐最低溫度為25℃，出爐溫度為40℃被加熱含水原油工作壓力：MPa（A）。

1.2 被加熱介質(zhì)物性

該井區(qū)地面原油密度在0.856～0.865 g/cm3之間，平均密度為0.862固點(diǎn)在14.00℃～22.00℃之間，平均為19.08℃，平均氣油比為14 m3/m3。屬密度較低、粘度較低、凝固點(diǎn)較高的含蠟原油。

2 傳熱計(jì)算

由于該文的重點(diǎn)主要是比較同種規(guī)格加熱爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)中對(duì)兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐采用形同規(guī)格的火筒、煙管，其具體機(jī)構(gòu)型式在文章的后面有論述。該文論述的重點(diǎn)主要圍繞在加熱盤管部分。

2.1 一體式相變加熱爐盤管熱力計(jì)算

加熱盤管內(nèi)被加熱介質(zhì)的平均溫度按下式計(jì)算[3]，計(jì)算結(jié)果為31℃。

（1）

式中為被加熱介質(zhì)的進(jìn)口溫度，25℃;

為被加熱介質(zhì)的出口溫度，40℃。

所選用的加熱盤管的規(guī)格為φ57×3，根據(jù)《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》中的設(shè)計(jì)方法及工藝條件，以盤管內(nèi)平均溫度作為加熱盤管內(nèi)被加熱介質(zhì)的定性溫度，可以確定在平均溫度下，原油密度ρ為862 kg/m3，原油的粘度μ為15.58MPa·s，原油導(dǎo)熱系數(shù)為0.134W/（m2·℃），原油普朗特?cái)?shù)Pr為241.84[3]，加熱介質(zhì)在管內(nèi)的流速為3.18 m/s，雷諾數(shù)Re為8973，管內(nèi)壁面對(duì)被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)為788.9w/（m2·℃），管外蒸汽冷凝換熱系數(shù)[4]約為9000w/（m2·℃）;管內(nèi)壁污垢熱阻ri為0.00035m2·℃/W，管外壁污垢熱阻ro為 0.00009m2·℃/W，加熱盤管內(nèi)的傳熱系數(shù)K為520W/（m2·℃）。

由于相變爐工作壓力為0.3 MPa，查閱飽和水蒸氣表得到其飽和溫度為133.3℃，根據(jù)《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》中對(duì)數(shù)溫差公式計(jì)算得出對(duì)數(shù)平均溫差為102℃。

由公式（2）計(jì)算得到每根盤管所需的對(duì)流受熱面積為4.72 m2。

（2）

式中為每根盤管的傳熱量，由于加熱中加熱介質(zhì)的流動(dòng)方式是在兩根對(duì)稱的盤管中平行流動(dòng)，故取每根盤管的傳熱量為250 kW。

所以兩根盤管的總的傳熱面積為9.44 m2。

由公式（3）可得加熱盤管總長(zhǎng)度L為58.87 m，實(shí)際設(shè)計(jì)中取為60 m。

（3）

2.2 分體式相變加熱爐盤管熱力計(jì)算

分體式相變加熱爐所采用的結(jié)構(gòu)型式如圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要由下面的蒸發(fā)器和上面的浮頭換熱器組成，其中浮頭式換熱器內(nèi)換熱盤管的規(guī)格為φ45×3，每根換熱管的長(zhǎng)度為3.5 m2采用4管程，根據(jù)2.1節(jié)的計(jì)算方法可以得出浮頭式換熱器加熱盤管內(nèi)的傳熱系數(shù)K為200 w/（m2·kg），傳熱面積為29.4 m2。雷諾數(shù)Re為1305，管內(nèi)流速為0.605 m/s。

由公式（4）可計(jì)算出加熱盤管的總根數(shù)N為68.6根，為了布管方便N取72。

（4）

公式中各值的意義及大小如上所述。

故加熱盤管的總長(zhǎng)度為252 。

3 流動(dòng)阻力計(jì)算

由于相變加熱爐殼程內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)為蒸汽，故可以不考慮殼程內(nèi)的流動(dòng)阻力，只需分析管程內(nèi)的流動(dòng)阻力。

3.1 一體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

一體式相變加熱爐盤管的流動(dòng)阻力由兩部分組成，即沿程阻力和局部阻力[5]。

3.1.1 沿程阻力計(jì)算

光滑表面管內(nèi)的沿程阻力可按照達(dá)爾賽式[5]（5）計(jì)算，計(jì)算得出為0.081 MPa。

（5）

當(dāng)Re=3000～10000時(shí)，式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算：

（6）

公式（5）、公式（6）中各值的大小和意義如前所述。

3.1.2 局部阻力

由于工質(zhì)在蛇形管內(nèi)流動(dòng)，流動(dòng)方向不斷發(fā)生變化，其局部阻力可由式計(jì)（7）計(jì)算，每根加熱盤管的流向改變次數(shù)n為9，經(jīng)過計(jì)算得出為0.0013 MPa。endprint

（7）

所以每根加熱盤管的總摩擦阻力為0.082 MPa。

3.2 分體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

管殼式熱交換器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)、出口連接管阻力等三部分[6]，因而：

（8）

式中為管程總阻力，Pa;為沿程阻力，Pa;為回彎阻力，Pa;為進(jìn)、出口連接管阻力，Pa;

（1）沿程阻力，可用下式（9）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.0028 MPa。

（9）

當(dāng)Re<2000時(shí)，式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算。

（10）

公式（9）、公式（10）中各值的大小和意義如前所述。

（2）回彎阻力用下式（11）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.0025 MPa。

（11）

式中為管程數(shù)4，其余各值的大小和意義如前所述。

（3）進(jìn)出口連接管阻力的可用下式（12）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.00024 MPa。

（12）

式中各值的大小和意義如前所述。

所以總摩擦阻力約為0.006 MPa。

4 兩種結(jié)構(gòu)型式相變爐的結(jié)構(gòu)比較

通過2.1節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW一體式相變加熱爐的樣本如圖1所示，此種結(jié)構(gòu)的爐體主體結(jié)構(gòu)筒體規(guī)格為φ1420×10，長(zhǎng)度為4000 mm;火筒規(guī)格為φ426×8，長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管，規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm，共20根;加熱盤管選用無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ57×5，總長(zhǎng)度為60000 mm，壓降約為0.082 MPa。整個(gè)加熱爐重量約為8000 kg。

通過2.2節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW分體式相變加熱爐的蒸汽發(fā)生器的樣本結(jié)構(gòu)如圖2所示，此種結(jié)構(gòu)的相變爐的蒸汽發(fā)生器筒體截面規(guī)格為φ1120×10，長(zhǎng)度為3988 mm，火筒尺寸為φ426×8，長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管，規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm，共20根;總重量約為4300 kg。

500 kW分體式相變加熱爐的加熱器為浮頭式換熱器，其筒體截面規(guī)格為φ820×10，長(zhǎng)度為4448 m，換熱管規(guī)格為φ45×3，每根長(zhǎng)度為3500 m，共72根。整個(gè)浮頭換熱器總重約為3500 kg。

另外500 kW分體式相變加熱爐的扶梯平臺(tái)的重量約為4000 kg，煙囪重量約為500 kg，保溫重量約為800 kg。故設(shè)備總重量約為13100 kg，壓降約為0.006 MPa。

通過上述的比較可以發(fā)現(xiàn)，一體式結(jié)構(gòu)相變爐金屬耗量較分體式相變爐少很多，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，但是一體式相變爐加熱盤管中介質(zhì)的流速較分體式中快，流動(dòng)阻力比分體式大，不適合于某些對(duì)介質(zhì)流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合使用。分體式相變爐雖然體積龐大，其起加熱介質(zhì)作用的浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)較高，但是對(duì)于對(duì)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，分體式相變爐的綜合處理效果比一體式好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)額定功率為500 kW的相變加熱爐進(jìn)行一體式和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于介質(zhì)流動(dòng)壓降范圍可取較大值的場(chǎng)合推薦使用一體式相變加熱爐，因?yàn)榇朔N爐子較經(jīng)濟(jì)，體積較小、且易于安裝、操作及維護(hù)。對(duì)于對(duì)介質(zhì)在管程中流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，推薦使用分體式相變加熱，因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)爐子加熱盤管的橫截面較大，介質(zhì)在管程的流速較小，從而壓降也比較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇海鵬.新型相變加熱爐的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2010，29（12）：93-97.

[2] 呂靜，元玉蘭.多井式天然氣加熱爐熱力設(shè)計(jì)及其應(yīng)用問題探討[J].工業(yè)鍋爐，2010（5）：1-4.

[3] 《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》編寫組.油田油氣集輸手冊(cè)（下冊(cè)）[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

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

[5] 鄧壽祿，王貴生.油田加熱爐[M].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

[6] 史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].4版.江蘇：東南大學(xué)出版社，2009.endprint

（7）

所以每根加熱盤管的總摩擦阻力為0.082 MPa。

3.2 分體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

管殼式熱交換器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)、出口連接管阻力等三部分[6]，因而：

（8）

式中為管程總阻力，Pa;為沿程阻力，Pa;為回彎阻力，Pa;為進(jìn)、出口連接管阻力，Pa;

（1）沿程阻力，可用下式（9）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.0028 MPa。

（9）

當(dāng)Re<2000時(shí)，式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算。

（10）

公式（9）、公式（10）中各值的大小和意義如前所述。

（2）回彎阻力用下式（11）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.0025 MPa。

（11）

式中為管程數(shù)4，其余各值的大小和意義如前所述。

（3）進(jìn)出口連接管阻力的可用下式（12）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.00024 MPa。

（12）

式中各值的大小和意義如前所述。

所以總摩擦阻力約為0.006 MPa。

4 兩種結(jié)構(gòu)型式相變爐的結(jié)構(gòu)比較

通過2.1節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW一體式相變加熱爐的樣本如圖1所示，此種結(jié)構(gòu)的爐體主體結(jié)構(gòu)筒體規(guī)格為φ1420×10，長(zhǎng)度為4000 mm;火筒規(guī)格為φ426×8，長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管，規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm，共20根;加熱盤管選用無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ57×5，總長(zhǎng)度為60000 mm，壓降約為0.082 MPa。整個(gè)加熱爐重量約為8000 kg。

通過2.2節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW分體式相變加熱爐的蒸汽發(fā)生器的樣本結(jié)構(gòu)如圖2所示，此種結(jié)構(gòu)的相變爐的蒸汽發(fā)生器筒體截面規(guī)格為φ1120×10，長(zhǎng)度為3988 mm，火筒尺寸為φ426×8，長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管，規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm，共20根;總重量約為4300 kg。

500 kW分體式相變加熱爐的加熱器為浮頭式換熱器，其筒體截面規(guī)格為φ820×10，長(zhǎng)度為4448 m，換熱管規(guī)格為φ45×3，每根長(zhǎng)度為3500 m，共72根。整個(gè)浮頭換熱器總重約為3500 kg。

另外500 kW分體式相變加熱爐的扶梯平臺(tái)的重量約為4000 kg，煙囪重量約為500 kg，保溫重量約為800 kg。故設(shè)備總重量約為13100 kg，壓降約為0.006 MPa。

通過上述的比較可以發(fā)現(xiàn)，一體式結(jié)構(gòu)相變爐金屬耗量較分體式相變爐少很多，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，但是一體式相變爐加熱盤管中介質(zhì)的流速較分體式中快，流動(dòng)阻力比分體式大，不適合于某些對(duì)介質(zhì)流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合使用。分體式相變爐雖然體積龐大，其起加熱介質(zhì)作用的浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)較高，但是對(duì)于對(duì)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，分體式相變爐的綜合處理效果比一體式好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)額定功率為500 kW的相變加熱爐進(jìn)行一體式和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于介質(zhì)流動(dòng)壓降范圍可取較大值的場(chǎng)合推薦使用一體式相變加熱爐，因?yàn)榇朔N爐子較經(jīng)濟(jì)，體積較小、且易于安裝、操作及維護(hù)。對(duì)于對(duì)介質(zhì)在管程中流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，推薦使用分體式相變加熱，因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)爐子加熱盤管的橫截面較大，介質(zhì)在管程的流速較小，從而壓降也比較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇海鵬.新型相變加熱爐的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用，2010，29（12）：93-97.

[2] 呂靜，元玉蘭.多井式天然氣加熱爐熱力設(shè)計(jì)及其應(yīng)用問題探討[J].工業(yè)鍋爐，2010（5）：1-4.

[3] 《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》編寫組.油田油氣集輸手冊(cè)（下冊(cè)）[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

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

[5] 鄧壽祿，王貴生.油田加熱爐[M].北京：中國(guó)石化出版社，2011.

[6] 史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].4版.江蘇：東南大學(xué)出版社，2009.endprint

（7）

所以每根加熱盤管的總摩擦阻力為0.082 MPa。

3.2 分體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

管殼式熱交換器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)、出口連接管阻力等三部分[6]，因而：

（8）

式中為管程總阻力，Pa;為沿程阻力，Pa;為回彎阻力，Pa;為進(jìn)、出口連接管阻力，Pa;

（1）沿程阻力，可用下式（9）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.0028 MPa。

（9）

當(dāng)Re<2000時(shí)，式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算。

（10）

公式（9）、公式（10）中各值的大小和意義如前所述。

（2）回彎阻力用下式（11）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.0025 MPa。

（11）

式中為管程數(shù)4，其余各值的大小和意義如前所述。

（3）進(jìn)出口連接管阻力的可用下式（12）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.00024 MPa。

（12）

式中各值的大小和意義如前所述。

所以總摩擦阻力約為0.006 MPa。

4 兩種結(jié)構(gòu)型式相變爐的結(jié)構(gòu)比較

通過2.1節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW一體式相變加熱爐的樣本如圖1所示，此種結(jié)構(gòu)的爐體主體結(jié)構(gòu)筒體規(guī)格為φ1420×10，長(zhǎng)度為4000 mm;火筒規(guī)格為φ426×8，長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管，規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm，共20根;加熱盤管選用無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ57×5，總長(zhǎng)度為60000 mm，壓降約為0.082 MPa。整個(gè)加熱爐重量約為8000 kg。

通過2.2節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW分體式相變加熱爐的蒸汽發(fā)生器的樣本結(jié)構(gòu)如圖2所示，此種結(jié)構(gòu)的相變爐的蒸汽發(fā)生器筒體截面規(guī)格為φ1120×10，長(zhǎng)度為3988 mm，火筒尺寸為φ426×8，長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管，規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm，共20根;總重量約為4300 kg。

500 kW分體式相變加熱爐的加熱器為浮頭式換熱器，其筒體截面規(guī)格為φ820×10，長(zhǎng)度為4448 m，換熱管規(guī)格為φ45×3，每根長(zhǎng)度為3500 m，共72根。整個(gè)浮頭換熱器總重約為3500 kg。

另外500 kW分體式相變加熱爐的扶梯平臺(tái)的重量約為4000 kg，煙囪重量約為500 kg，保溫重量約為800 kg。故設(shè)備總重量約為13100 kg，壓降約為0.006 MPa。

通過上述的比較可以發(fā)現(xiàn)，一體式結(jié)構(gòu)相變爐金屬耗量較分體式相變爐少很多，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，但是一體式相變爐加熱盤管中介質(zhì)的流速較分體式中快，流動(dòng)阻力比分體式大，不適合于某些對(duì)介質(zhì)流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合使用。分體式相變爐雖然體積龐大，其起加熱介質(zhì)作用的浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)較高，但是對(duì)于對(duì)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，分體式相變爐的綜合處理效果比一體式好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)額定功率為500 kW的相變加熱爐進(jìn)行一體式和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于介質(zhì)流動(dòng)壓降范圍可取較大值的場(chǎng)合推薦使用一體式相變加熱爐，因?yàn)榇朔N爐子較經(jīng)濟(jì)，體積較小、且易于安裝、操作及維護(hù)。對(duì)于對(duì)介質(zhì)在管程中流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，推薦使用分體式相變加熱，因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)爐子加熱盤管的橫截面較大，介質(zhì)在管程的流速較小，從而壓降也比較小。

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