天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

王海坡

（天津城建大學(xué)，天津 300384）

1 我國天然氣管道加熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國天然氣管道加熱除了使用浸沒燃燒換熱器之外，還可以使用鍋爐水浴加熱、輻射加熱、電磁加熱等方法，每種天然氣管道加熱都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是總體來說浸沒燃燒轉(zhuǎn)換器在技術(shù)方面更加先進(jìn)一些。鍋爐水浴加熱技術(shù)直接將鍋爐裝置和水浴裝置進(jìn)行分離，再通過鍋爐房對(duì)天然氣管道進(jìn)行加熱，這種加熱技術(shù)比較簡單所以應(yīng)用范圍比較廣。但是鍋爐水浴加熱技術(shù)需要額外布置鍋爐廠房，因此占地面積比較大是該技術(shù)的缺點(diǎn)。輻射加熱利用輻射本身的特性，可以直接對(duì)低溫天然氣管道進(jìn)行加熱，但是該技術(shù)對(duì)設(shè)備和廠房都具有較高的要求［1］。而電磁感應(yīng)加熱技術(shù)主要用于解凍調(diào)壓器，因?yàn)樵摷夹g(shù)的耗電非常大而且加熱能力有所不足，所以一般在調(diào)壓器出現(xiàn)凍堵問題之后才會(huì)采用該技術(shù)。浸沒燃燒換熱器加熱使用LNG氣化工藝，不需要額外建造廠房就可以保持對(duì)天然氣管道的高效加熱，而且該加熱技術(shù)的排放物污染比較低，因此浸沒燃燒換熱器加熱技術(shù)具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)適合大范圍推廣。

2 天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器工作原理

天然氣管道加熱時(shí)，天然氣管道從水浴箱體中通過，水浴箱體包括燃燒室、煙管、鼓泡孔、浸沒燃燒換熱器、煙氣排放口等裝置，而風(fēng)機(jī)存在與水浴箱體外。風(fēng)機(jī)將燃?xì)夂涂諝饣旌贤ㄈ虢]燃燒換熱器裝置中的燃燒室，然后燃燒室通過煙管將高溫?zé)煔鈴墓呐菘着懦?，浸沒燃燒換熱器將高溫?zé)煔鈹y帶的熱量傳遞到水浴箱體的水中，最后天然氣管道被水浴加熱，而煙氣直接從上方管道排出，這樣浸沒燃燒換熱器即可利用高溫?zé)煔馔瓿蓪?duì)天然氣管道的加熱［2］。

3 天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器設(shè)計(jì)

3.1 浸沒燃燒換熱器參數(shù)設(shè)計(jì)

天燃?xì)夤艿兰訜嵊媒]燃燒換熱器主要設(shè)計(jì)功率、工作壓力、天然氣流量、水浴溫度、天然氣進(jìn)出口問題等參數(shù)。而本文設(shè)計(jì)的浸沒燃燒換熱器功率為200kW、工作壓力為Mpa，天然氣管道每小時(shí)通過量為4000m3，水浴箱體中水體溫度為60℃，假設(shè)天然氣進(jìn)出口溫度分別為0℃和10℃。

3.2 浸沒燃燒換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器分別由匯管、蛇形換熱盤管、天然氣進(jìn)出口等裝置組成。浸沒燃燒換熱器過去采用單根螺旋結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)下管外對(duì)流換熱效果不夠好，而且無法降低煙氣與水體接觸過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)，因此本文在設(shè)計(jì)浸沒燃燒換熱器結(jié)構(gòu)時(shí)選用多根蛇形換熱盤管結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單管螺旋結(jié)構(gòu)，這樣浸沒燃燒換熱器的換熱效果得到提高，而且可以降低水體的擾動(dòng)情況。天然氣從匯管入口進(jìn)入、從匯管出口流出，經(jīng)過蛇形換熱盤管即可將天然氣的溫度增加至設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)。

3.3 浸沒燃燒換熱器設(shè)計(jì)中的計(jì)算

3.3.1 管外對(duì)流傳熱

高溫氣體加熱的效果遠(yuǎn)不如水浴加熱的效果明顯，所以天然氣管道加熱并不會(huì)直接采用高溫?zé)煔鈱?duì)浸沒燃燒換熱器加熱，而將高溫?zé)煔獾臒崃總鬟f給水體，再由水體完成對(duì)浸沒燃燒換熱器的加熱應(yīng)用的就是管外對(duì)流加熱的原理。管道對(duì)流加熱的換熱量＝管外對(duì)流換熱系數(shù)×（管外水箱水浴溫度－蛇形換熱盤管外表面平均溫度） ×蛇形換熱盤管外表面面積，其中管外對(duì)流換熱系數(shù)＝努塞爾數(shù)×蛇形換熱盤外外徑／水導(dǎo)熱率。而努塞爾數(shù)＝0.4×管外流體雷諾數(shù)0.6×管外流體0.36×（管外流體普朗特?cái)?shù)／管外管壁流體普朗特?cái)?shù)）0.25，其中雷諾數(shù)可以用于水箱中水體沖刷蛇形換熱盤管的流速進(jìn)行計(jì)算，這樣即可計(jì)算出管外對(duì)流傳熱的換熱量。

3.3.2 管壁導(dǎo)熱

蛇形換熱盤管在水浴加熱過程中會(huì)完成對(duì)天然氣的加熱，其中天然氣加熱使用的是蛇形換熱盤管內(nèi)表面的熱量，而水浴熱量直接傳遞到蛇形換熱盤管的外表面。因此蛇形換熱盤管的管壁導(dǎo)熱量＝（蛇形換熱盤管外表面平均溫度－蛇形換熱盤管內(nèi)表面平均溫度）／［1／（2π×水導(dǎo)熱率×蛇形換熱盤管的長度）×ln（蛇形換熱盤管外徑／蛇形換熱盤管內(nèi)徑）］。

3.3.3 管內(nèi)對(duì)流傳熱

蛇形換熱盤管內(nèi)表面對(duì)天然氣加熱時(shí)，換熱量的多少與天然氣的流速具有直接關(guān)系，流速越快則加熱的效果越不明顯。加熱過程中換熱量＝管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)×（蛇形換熱盤管內(nèi)表面平均溫度－蛇形換熱盤管內(nèi)天然氣平均溫度） ×蛇形換熱盤管內(nèi)表面積總和，其中管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)＝0.023×管外流體雷諾數(shù)0.8×管外流體普朗特?cái)?shù)0.4。而蛇形換熱盤管內(nèi)部彎曲管段會(huì)對(duì)管內(nèi)對(duì)流傳熱效果造成一定的影響，所以管內(nèi)加熱換熱量最終結(jié)果還需要與管道彎曲修正系數(shù)的值相乘，而管道彎曲修正系數(shù)＝1＋1.77×蛇形換熱盤管外徑／管道彎曲半徑。

3.3.4 綜合傳熱系數(shù)

如果天然氣管道加熱過程中不考慮污垢熱阻產(chǎn)生的影響，則可以得到浸沒燃燒換熱器的綜合傳熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)值＝1／［1／（管外對(duì)流換熱系數(shù)×π×蛇形換熱盤管外徑） ＋1／（2π×水導(dǎo)熱率） ×ln（蛇形換熱盤管外徑／蛇形換熱盤管內(nèi)徑） ＋1／（管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)×π×蛇形換熱盤管內(nèi)徑）］。但是考慮到天然氣實(shí)際進(jìn)出口溫度、天然氣流速、水箱水體溫度等參數(shù)可以直接測量，因此綜合傳熱系數(shù)的實(shí)際結(jié)果＝蛇形換熱盤管內(nèi)部天然氣質(zhì)量流量×天然氣進(jìn)出口焓差／［蛇形換熱盤管外表面面積×（管外水箱水浴溫度－管內(nèi)天然氣平均溫度）］。

3.4 浸沒燃燒換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

由于浸沒燃燒換熱器裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較緊湊，水箱中水浴溫度基本保持一致，因此需要對(duì)浸沒燃燒換熱器蛇形換熱盤管內(nèi)天然氣實(shí)際換熱量和水側(cè)管外的換熱量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，如何二者結(jié)果相近則計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)浸沒燃燒換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算之后，得到各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果如下：管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)＝4968.72W· （m2·K）－1；天然氣側(cè)污垢熱阻＝0.002W· （m2· K）－1；管 外 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù) ＝19393.70W· （m2·K）－1；水側(cè)污垢熱阻＝0.0004W· （m2·K）－1；綜合傳熱系數(shù)＝1095.70W· （m2·K）－1；彎管平均修正系數(shù)＝1.30；管壁導(dǎo)熱熱阻＝639.59W· （m2·K）－1；實(shí)際面積＝3.93m2；傳熱安全系數(shù)＝1.20；彎管排數(shù)修正系數(shù)＝0.95.

4 天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器應(yīng)用

4.1 浸沒燃燒換熱器裝置

4.1.1 燃燒系統(tǒng)

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器燃燒系統(tǒng)主要將高溫?zé)煔庵械臒崃總鬟f到水箱水體中，高溫?zé)煔庥扇細(xì)夂涂諝饣旌蠚怏w燃燒產(chǎn)生。如果風(fēng)機(jī)在通入燃?xì)庵安捎妙A(yù)混合技術(shù)先將空氣和燃?xì)饣斓揭黄?，然后保證混合燃?xì)庠诹阆虑闆r下通入燃燒器，則可以保證燃?xì)獬浞秩紵詈螽a(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱崃總鬟f到水體之后不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生太大污染，預(yù)混燃?xì)饧夹g(shù)可以保證燃燒系統(tǒng)的空燃比不受其他因素影響。

4.1.2 換熱系統(tǒng)

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器換熱系統(tǒng)主要將高溫?zé)煔鉄崃繐Q成水熱量、水熱量換成天然氣熱量。其中高溫?zé)煔鉄崃靠梢酝ㄟ^鼓泡孔直接轉(zhuǎn)換成水熱量，而不用先經(jīng)過傳輸再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，換熱過程越直接則損失的熱量越少。鍋爐水浴加熱在換熱過程中損失了大量熱量，而高溫?zé)煔獾膿Q熱效率可以達(dá)到90%以上。而水熱量轉(zhuǎn)換成天然氣熱量主要通過蛇形彎管，彎管與水體的接觸面積越大傳熱效果就越好，所以蛇形彎曲盤管取代了螺旋單管。

4.1.3 控制系統(tǒng)

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器控制系統(tǒng)主要對(duì)換熱器、水箱水體液位、水箱水體溫度、水箱水體pH值、煙氣排放濃度等因素進(jìn)行監(jiān)控。為了提高控制系統(tǒng)的效果，可以通過自動(dòng)化技術(shù)設(shè)置各個(gè)因素的臨界點(diǎn)，當(dāng)浸沒燃燒換熱器各個(gè)因素的參數(shù)超過臨界值時(shí)，直接在自動(dòng)化技術(shù)下進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)向后臺(tái)操作人員發(fā)出警報(bào)，以防浸沒燃燒換熱器在加熱天然氣過程中出現(xiàn)安全問題。控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置各種傳感器用來監(jiān)控溫度、濃度、pH值等參數(shù)，同時(shí)設(shè)置智能化控制開關(guān)，為了安全起見控制系統(tǒng)最好獨(dú)立接入電源，防止電力系統(tǒng)影響浸沒燃燒換熱器的安全運(yùn)行。

4.2 浸沒燃燒換熱器應(yīng)用效果

4.2.1 熱工性能

該供暖站使用功率200kW 的浸沒燃燒換熱器持續(xù)工作4天，高壓管道天然氣實(shí)際通過流量為1.424×104m3／h，滿足4000m3／h的設(shè)計(jì)要求，最終該浸沒燃燒換熱器保持在100kW 的功率穩(wěn)定運(yùn)行，天然氣實(shí)際溫度從0℃上升到11.5℃，該裝置加熱效率符合要求。

4.2.2 安全可靠

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器通過報(bào)警裝置保護(hù)了工作人員和天然氣加熱系統(tǒng)的安全。當(dāng)實(shí)際工作環(huán)境中某個(gè)設(shè)備參數(shù)超出臨界范圍或者設(shè)計(jì)范圍之后，報(bào)警裝置會(huì)立即切斷浸沒燃燒換熱器的正常運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

4.2.3 排放性能

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器裝置燃燒室性能良好，經(jīng)過預(yù)混合技術(shù)之后空氣和燃?xì)獗壤_(dá)到1.8，高溫?zé)煔馀欧女a(chǎn)物中氮氧化合物的濃度在8mg／m3左右，遠(yuǎn)小于遼寧地區(qū)150mg／m3的要求，設(shè)置要求最高的北京、鄭州、西安等地區(qū)的30mg／m3要求也可以得到滿足。

5 結(jié)語

綜上所述，天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器技術(shù)具有成本低、污染小、占地小、維護(hù)容易、加熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此該技術(shù)具有廣泛應(yīng)用前景。供暖站有必要使用該技術(shù)取代傳統(tǒng)的鍋爐水浴加熱技術(shù)，減少天然氣加熱的成本，提高供暖實(shí)際收益，防止調(diào)壓器出現(xiàn)凍堵問題影響正常供暖工作。