加熱爐多流域傳熱模擬及熱效分析

周巖 王春生

摘要：針對(duì)遼河油田設(shè)計(jì)的新型自然通風(fēng)式加熱爐傳熱特性及熱效率不明確的問題，采用模擬結(jié)合計(jì)算的方法進(jìn)行了研究。用Fluent模擬了三維爐體的實(shí)時(shí)傳熱情況;通過煙氣溫降值，分析了不同構(gòu)件的換熱能力;結(jié)合模擬結(jié)果采用正反平衡計(jì)算熱效率，對(duì)不同入口溫度、煙氣入口流量、原油流量下的熱效率進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明，新加熱爐效率達(dá)90%以上，比老式加熱爐熱效率提高了近7%，不同構(gòu)件的換熱效果不同，橫煙管使煙氣產(chǎn)生溫降效果最為明顯，可使溫降達(dá)到313 ℃，是爐內(nèi)的重要換熱構(gòu)件，同時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)爐體頂端集熱現(xiàn)象，在不同熱效率影響因素中，加熱爐處理原油量的多少對(duì)熱效率影響最大，可使效率波動(dòng)達(dá)12%。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步完善加熱爐的傳熱分析有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué);加熱爐;熱效率;模擬;多流域

中圖分類號(hào)：TE81文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx01002

ZHOU Yan，WANG Chunsheng.Multi-basin heat transfer simulation and thermal efficiency analysis of innovative heating furnace[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：7-12.Multi-basin heat transfer simulation and thermal efficiency

analysis of innovative heating furnace

ZHOU Yan，WANG Chunsheng

（Department of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract：In view of the unclear heat transfer characteristics of a new type natural ventilation heating furnace designed by Liaohe Oilfield， the simulation combined with calculation method is adopted. The real time heat transfer of the three dimensional furnace is simulated by Fluent， and the heat transfer capacity of different components is analyzed through the flue gas temperature drop. The thermal efficiency is calculated by the positive and negative balance methods combining with the simulation results， and the efficiency under the different inlet temperature， the inlet flow rate and the flow rate of crude are analyzed and calculated. The results show that the new heating furnace efficiency is over 90%， which is nearly 7% higher than that of the old heating furnace. The heat transfer effect of different components is different. The temperature drop effect of the flue gas caused by horizontal smoke pipe is most obvious， and the temperature drop can reach 313 ℃， so horizontal smoke pipe is an important heat transfer component in the furnace. At the same time， no heat collection at the top of the furnace is found. Among the factors affecting the thermal efficiency， the amount of crude oil processed by the heating furnace has the greatest influence on the thermal efficiency， which causes the efficiency fluctuation to 12%. The research result has some reference for further analyzing the heat transfer of reheating furnace.

Keywords：heat transfer theory; reheating furnace; thermal efficiency; simulation; multi-basin

遼河油田油氣資源豐富，其中主要以稠油和超稠油為主[1]。稠油具有高密度、高黏度、高膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的特點(diǎn)。這種油品在不加熱的條件下進(jìn)行管道輸送比較困難[2-5]，因此需要用加熱爐對(duì)井口產(chǎn)出原油進(jìn)行加熱輸送。遼河油田現(xiàn)有的加熱爐效率一般在80%～83%，一些老舊加熱爐甚至更低，而隨著技術(shù)的進(jìn)步，如今高效加熱爐效率可達(dá)90%～94%[6]。筆者檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)加熱爐的排煙溫度高達(dá)250 ℃，通過對(duì)爐內(nèi)對(duì)流段和輻射段進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)換熱并不十分充分，且立式火筒爐的頂端存在輕微集熱現(xiàn)象。針對(duì)上述問題，遼河油田的研發(fā)人員設(shè)計(jì)了一款新型自然通風(fēng)式井場(chǎng)加熱爐，對(duì)加熱爐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新改造，如超導(dǎo)體熱管的應(yīng)用、煙道長(zhǎng)度的增加、上下橫煙管交錯(cuò)放置等[7-10]。

對(duì)于新型加熱爐，爐體設(shè)計(jì)是否合理，是否能達(dá)到良好的換熱效果，熱效率是否有所提高等都是現(xiàn)場(chǎng)所關(guān)心的問題[11]，因此，在正式投入生產(chǎn)前，有必要對(duì)新型加熱爐進(jìn)行傳熱特性模擬分析并估算其熱效率。

1物理模型及網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象為反燒自然通風(fēng)式小型加熱爐，其尺寸和原理見圖1，氣體燃料燃燒放出的高溫?zé)煔庋刂鴪D中箭頭依次流經(jīng)水冷壁、橫煙管、超導(dǎo)熱管（上部區(qū)域），然后從下煙道折回，再沿著煙囪向上流動(dòng)并排放到大氣中。在流動(dòng)過程中，高溫?zé)煔獠粩嗯c媒介區(qū)的導(dǎo)熱油換熱，導(dǎo)熱油再將熱量傳遞給右側(cè)的盤管，加熱盤管中的原油。

此模型相對(duì)復(fù)雜，必須簡(jiǎn)化模型才能進(jìn)行模擬計(jì)算[12-13]。由于加熱爐工作時(shí)涉及到原油、導(dǎo)熱油、煙氣3種流體的流動(dòng)，因此要將網(wǎng)格按照3種流域進(jìn)行分部劃分，劃分后的3部分網(wǎng)格互相獨(dú)立。為了能讓流域之間進(jìn)行能量傳遞，在Fluent中通過Interface couple-wall方式進(jìn)行耦合[14-16]。簡(jiǎn)化模型及劃分的網(wǎng)格見圖2，最終網(wǎng)格數(shù)量為300萬左右。

2傳熱及流場(chǎng)模擬

針對(duì)高溫?zé)煔馊肟跍囟葹? 150 ℃、煙氣流量為118 kg/h、原油流量為4 862 kg/h時(shí)的加熱情況，采用瞬態(tài)模擬來模擬加熱爐的加熱過程，得到溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)隨時(shí)間變化的場(chǎng)圖如圖3和圖4所示。圖3分別為30，60和120 s時(shí)刻的溫度場(chǎng)，圖4為初始時(shí)刻和穩(wěn)定時(shí)刻的速度場(chǎng)。

從圖3可知，開始時(shí)刻，煙氣從燃燒室出來后溫度降低明顯，水冷壁為主的輻射段起到了重要的換熱作用，同時(shí)，橫煙管前段換熱效果良好，側(cè)熱管換熱效果也輕微體現(xiàn)，上熱管還處于低溫狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)時(shí)，爐筒內(nèi)已完全被高溫?zé)煔獬涑?，輻射段換熱作用十分明顯，橫煙管后排換熱效果一般，最后一排溫度約為525 ℃。超導(dǎo)熱管換熱效果較為明顯，爐體尤其頂端并未產(chǎn)生熱應(yīng)力集中的情況。

從圖4可看出，煙氣平均以0.6 m/s流入加熱爐，而在30 s（初始）時(shí)，煙氣大部分聚集在加熱爐下部，這是由于開始時(shí)刻爐子尚未加熱，火筒內(nèi)幾乎被冷空氣充斥，煙氣首先要和冷空氣對(duì)流換熱并將冷空氣頂出，導(dǎo)致流速變慢。120 s時(shí)，流場(chǎng)已達(dá)到穩(wěn)定，煙氣在進(jìn)入爐筒時(shí)速度很低，在加熱爐內(nèi)速度逐漸變大，這是由于一定的煙囪高度產(chǎn)生的負(fù)壓在起作用，負(fù)壓使煙氣在爐內(nèi)不斷被加速，最終煙囪出口煙氣的速度約為6 m/s。

對(duì)煙氣在流動(dòng)過程中的溫降情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以看出不同構(gòu)件的換熱能力，從而考察爐體內(nèi)是否存在熱應(yīng)力集中情況而影響加熱爐的加熱效率。模擬統(tǒng)計(jì)情況見圖5。

燃燒室出來的高溫?zé)煔鉁囟葹? 116 ℃，四周環(huán)繞的16根水冷壁使煙氣溫度降低了250 ℃，然后經(jīng)過相互交錯(cuò)擺放的119根橫煙管，由于煙氣和橫煙管的接觸面積最大，因此溫降最為明顯，下降了313 ℃。煙氣流至頂端，與超導(dǎo)熱管換熱后從下煙道流出，超導(dǎo)熱管增加了與煙氣的接觸面積，阻止了頂端發(fā)生的熱量集中現(xiàn)象。接著，煙氣流入20根下煙管，溫度降低了150 ℃。最終煙氣從煙囪流出時(shí)的溫度為216 ℃。

3正反平衡熱效率計(jì)算

采用正反平衡法進(jìn)行熱效率計(jì)算。正平衡是直接通過計(jì)算被加熱介質(zhì)吸收的熱量占據(jù)燃料放出的熱量的比例得到[17-18]，η1=D（hout-hin）BQin×100%，其中D為被加熱介質(zhì)流量，kg/h;hout，hin分別為被加熱介質(zhì)出、入口質(zhì)量焓，kJ/kg;B為單位時(shí)間內(nèi)加熱爐燃料消耗量，kg/h;Qin為燃料低位熱值，kJ/kg。

反平衡是間接通過計(jì)算加熱過程中損失的熱量占據(jù)總放出熱量的比例得到。η2=100%-（q2+q3+q5），其中q2=（Hpy-Hlk）Qin×100%，為排煙損失，Hpy，Hlk分別為排煙處煙氣焓和冷空氣焓，kJ/kg;q3為燃料化學(xué)不完全燃燒損失，%，由于采用清潔燃料，所以此項(xiàng)為0;q5=QsBQin為散熱損失，%;Qs為通過外表面散失的熱量，kJ/h。

正平衡和反平衡的基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

通過計(jì)算，得到了正平衡熱效率

η1=D（hout-hin）BQin=4 860×（169.6-92.9）8.014 8×51 489.74≈

90.33%，反平衡效率

η2=1-（q2+q5）=1-（5.97%+3.65%）=

90.38%。

可以看出，正平衡與反平衡算法得到的效率值近似相等，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性;該加熱爐的熱效得到了明顯的提高，相比于老式自然通風(fēng)加熱爐，效率提高了7%左右。

4熱效率影響因素的分析

加熱爐的熱效率會(huì)隨著工況變化而改變，本文研究了燃燒負(fù)荷（進(jìn)口溫度、流量）和原油流量對(duì)熱效率的影響。

4.1煙氣入口溫度對(duì)熱效率的影響

考慮了加熱爐可能欠負(fù)荷或過負(fù)荷運(yùn)行，給出如下計(jì)算方案：溫度在1 000～1 400 ℃之間，等間距取9組數(shù)據(jù)，結(jié)合模擬得到的入口、出口質(zhì)量焓值，采用反平衡熱效率計(jì)算方式，分別計(jì)算熱效率，得到排煙損失和散熱損失的變化（見圖6）及熱效率變化（見圖7）。

從圖6可看出，溫度在1 000～1 050 ℃之間，散熱損失和排煙損失均較小，而后又均保持不變，表明加熱爐在由欠負(fù)荷向正常負(fù)荷工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變，在1 050～1 250 ℃區(qū)間為加熱爐正常工作負(fù)荷范圍。高于1 250 ℃后，兩種損失陡然增加，說明此時(shí)加熱爐已經(jīng)處于過飽和工作狀態(tài)，沒有能力充分地吸收煙氣熱能。

從圖7可看出，加熱爐在正常工作負(fù)荷區(qū)間，效率可以穩(wěn)定在90%以上;煙氣入口溫度為1 150 ℃時(shí)，熱效率最高為90.23%;同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在欠負(fù)荷或過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，熱效率均低于90%，且隨著加熱爐煙氣入口溫度的升高，熱效率直線降低。

4.2煙氣的入口流量對(duì)熱效率影響

煙氣性質(zhì)一定時(shí)，煙氣流量越大，攜帶熱量越多，傳遞給原油的熱量也越多，但同時(shí)，通過爐壁向大氣散發(fā)的熱量也會(huì)增加，排煙量也會(huì)加大[19-20]。因此，本節(jié)選取了煙氣流量在112～137 kg/h區(qū)間的9組數(shù)據(jù)進(jìn)行熱效分析，確定出最合適的入口煙氣流量，得到最佳加熱爐熱效率。散熱損失、排煙損失以及熱效率的變化趨勢(shì)見圖8—圖10。

由圖8可知，流量在112～118 kg/h之間，爐壁溫度緩慢升高，但散熱損失逐漸減小，這是因?yàn)榇藭r(shí)加熱爐處于欠飽和工作狀態(tài)，煙氣攜帶的熱量沒有被需要加熱的介質(zhì)充分吸收，爐內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱不充分，散熱損失偏大;在127 kg/h往后，散熱損失和爐壁溫度均快速升高，說明加熱爐處于過飽和工作狀態(tài)。

由圖9可知，排煙損失的變化與排煙溫度呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，排煙溫度升高，單位質(zhì)量煙氣攜帶的熱量必然增大，排煙損失也會(huì)升高;在流量127 kg/h往后，排煙損失則表現(xiàn)為大幅度上漲，說明此時(shí)加熱爐由排煙帶走的熱量占比越來越大，加熱爐過負(fù)荷運(yùn)行。

由圖10可知，該加熱爐的正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的煙氣入口流量區(qū)間為112～127 kg/h， 效率可達(dá)90%以上，高于127 kg/h時(shí)為過負(fù)荷運(yùn)行。模擬分析得到加熱爐的煙氣入口最佳流量為118 kg/h，此時(shí)熱效率可達(dá)90.43%。

4.3原油流量對(duì)熱效率的影響

一般來講，原油流量越小，盤管中原油進(jìn)出口溫差就越大，但這并不代表加熱爐的熱效率就越大，熱效率與待加熱的原油的性質(zhì)、流量等有密切關(guān)系[21]。原油性質(zhì)見表3。分別統(tǒng)計(jì)單盤管流量為2～3.2 m3/h時(shí)的9組加熱爐熱效率情況，見圖11。

由圖11可知，上、下盤管的出口溫度均隨著原油流量的增加而降低，這說明原油流量越大，升溫越慢，原油加熱能夠達(dá)到的溫度越低，平均表現(xiàn)為流量每增加280 kg/h，出油溫度降低1 ℃左右;加熱爐熱效率隨著原油流量的增加而呈現(xiàn)先急劇升高后平緩上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這說明，在流量小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)原油吸收熱量少，這是因?yàn)樵偷谋葻崛蓦S著溫度升高而升高，原油通過吸收熱量提高自身溫度的能力會(huì)變?nèi)酰虼吮憩F(xiàn)為加熱爐熱效率低;在原油流量逐漸加大過程中，原油溫度逐漸降低，比熱容也降低，升高1 K吸收的熱量變少，從而原油吸熱升溫能力變強(qiáng)，因此加熱爐熱效率變大;當(dāng)最終原油流量達(dá)到一定值時(shí)，加熱爐熱效率趨于穩(wěn)定，此時(shí)原油吸收熱量能力接近飽和狀態(tài)，因此熱效率不再升高。熱效率從81.26%升高到93.38%，變化了12%左右，說明原油流量對(duì)加熱爐熱效率的影響較大。

5結(jié)論

針對(duì)遼河油田設(shè)計(jì)的新型自然通風(fēng)式加熱爐的傳熱特性及熱效率不明確的問題，采用模擬結(jié)合計(jì)算的方法進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

1）新加熱爐換熱充分，橫煙管使煙氣產(chǎn)生的溫降效果最為明顯，根據(jù)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)得出，爐體內(nèi)未發(fā)生熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2）正平衡與反平衡算法得到的效率值近似相等，均為90.3%左右，相比于遼河油田老式自然通風(fēng)加熱爐，效率提高了近7%。

3）相比于煙氣溫度和流量對(duì)熱效的影響，原油流量的高低對(duì)加熱爐的熱效率影響最大，可使效率波動(dòng)達(dá)12%。

筆者從理論上驗(yàn)證了遼河油田的小型自然通風(fēng)式加熱爐的高效性，但研究成果尚未經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證。接下來的工作是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加熱爐的燃燒情況，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，使加熱爐達(dá)到最佳工況。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]張依堂.稠油熱力開采降粘方法探索[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（3）：252.

[2]張文洲.石化管式加熱爐發(fā)展的新趨勢(shì)[J].廣東化工，2017，44（13）：240-241.

ZHANG Wenzhou. New development trend of petrochemical tubular heater[J]. Guangdong Chemical Industry，2017，44（13）：240-241.

[3]宋湛蘋，史競(jìng).工業(yè)爐的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工業(yè)爐，2004，26（6）：13-18.

SONG Zhanping， SHI Jing. Status and development trend of industrial furnace [J]. Industrial Furnace，2004，26（6）：13-18.

[4]蔡喬方.加熱爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[5]任芳祥，孫洪軍，戶昶昊.遼河油田稠油開發(fā)技術(shù)與實(shí)踐[J].特種油氣藏，2012，19（1）：1-8.

REN Fangxiang， SUN Hongjun， HU Changhao. Heavy oil technology and practices in Liaohe oilfield [J]. Special Oil and Gas Reservoirs，2012，19（1）：1-8.

[6]王建.高溫超導(dǎo)直接冷卻固體接觸界面熱輸運(yùn)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

WANG Jian. Investigation on Heat Transport across Solid Contact Interface for HTS Conduction Cooling[D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2013.

[7]HOTTEL H C， COHEN E S.Radiant heat exchange in a gas-filled enclosure： Allowance for nonuniformity of gas temperature[J]. A I Ch E Journal， 1958，4（1）：41-47.

[8]周力行.湍流兩相流動(dòng)與燃燒的數(shù)值模擬[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[9]FITZGERA F， SHERIDAN A T. Prediction of temperature and heat-transfer distribution in gas-fired pusher-reheating furnaces[J]. Journal of the Institute of Fuel， 1974， 47（3）： 21-27.

[10]PATANKAR S V，SPALDING D B. A calculation procedure for heat， mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows[J].Heat and Mass Transfer，1972（15）：1787-1806.

[11]孟建忠.步進(jìn)底式加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

MENG Jianzhong. Research of Mathematical Model on Thermal Process in reheating Furnace [D].Xi’an： Xi’an University of Architecture and Technology， 2004.

[12]鄒進(jìn)，黃素逸.相變熱傳導(dǎo)的計(jì)算[J].能源技術(shù)，2000（1）：11-14.

[13]歐陽(yáng)子珺.高效壓縮風(fēng)霧化燃燒器在燃油鍋爐上的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2005，26（2）：35-37.

OUYANG Zijun. Application of high efficiency compressive air atomizing oil burner on oil—fired boiler [J]. Petro-chemical Equipment Technology，2005，26（2）：35-37.

[14]叢凱峰.螺旋盤管內(nèi)超臨界流體湍流換熱數(shù)值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

CONG Kaifeng.Numerical Simulation of Turbulent Heat Transfer of Supercritical Fluid in a Helically Tube [D].Harbin： Harbin University of Technology， 2017.

[15]徐強(qiáng).基于預(yù)測(cè)函數(shù)控制的導(dǎo)熱油加熱爐溫度控制改進(jìn)策略研究[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2017.

XU Qiang. Study on Improved Strategy of Temperature Control for Heat Conducton Oil Heating Furnace Based on Predictive Function Control [D]. Maanshan： Anhui University of Technology， 2017.

[16]吳迪.管式加熱爐效率評(píng)價(jià)及節(jié)能改造研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

WU Di. The? Efficiency of Evaluation and Research on Energy Saving Technology of Tubular-Furnace [D]. Beijing： Tsinghua University， 2010.

[17]趙丹妮.水平井壓裂噴砂器噴射沖蝕數(shù)值模擬[D].大慶：東北石油大學(xué)，2013.

ZHAO Danni. The Numerical Simulation of Injection and Erosion of Horizontal Well Fractured Sand Blower [D]. Daqing： Northeast Petroleum University， 2013.

[18]賀建鎂.海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)樁群波浪力群樁效應(yīng)的數(shù)值模擬[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

HE Jianmei. Numerical Simulation of Group Effect and Wave Forces Offshore Wind Turbine Piles [D]. Guangzhou： South China University of Technology， 2011.

[19]張暉.管式加熱爐的節(jié)能技術(shù)探討[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2012（17）：92.

[20]YANG W， BLASIAK W. Numerical simulation of properties of a LPG flame with high-temperature air[J]. International Journal of Thermal Sciences， 2005， 44（10）： 973-985.

[21]江華，毛羽，吳德飛，等.過?？諝庀禂?shù)對(duì)瓦斯燃燒器燃燒和NOx排放性能影響的數(shù)值計(jì)算[J].化工環(huán)保，2004（sup1）：77-80.第36卷第1期河北工業(yè)科技Vol.36，No.1