加氫裝置分餾加熱爐爐型選擇探討

孫 瑩

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

由于原油日益重質化和劣質化，加上環(huán)保問題受到社會的高度重視，因此煉油企業(yè)加快產品升級，加氫裂化、加氫脫硫、加氫精制等通過加氫改善油品質量的裝置日益增多。加氫反應爐和分餾爐是加氫裝置中重要的供熱設備。隨著裝置的大型化，分餾加熱爐的熱負荷不斷提升。針對加熱爐的爐型選擇，設計人員有不同的考慮和側重點。本文結合工程案例對加氫裝置的分餾加熱爐常采用的雙輻射室水平管方箱爐(以下簡稱“方爐”)和雙輻射室立管圓筒爐(以下簡稱“圓爐”)爐型從不同方面進行討論。

圖1 雙輻射室方爐

1 設計基礎

以某加氫裝置分餾進料爐熱負荷40 MW工藝條件為設計基準，工藝介質條件見表1，工藝介質允許壓降為0.5 MPa。以輻射爐管表面平均熱強度基本相同為前提，確定兩種爐型的爐管參數和爐膛基本數據。同時基于相同的結構設計條件進行結構計算，選取合適的梁柱截面。

圖2 雙輻射室圓爐

表1 工藝條件

由于兩種爐型的輻射段熱負荷均約占總熱負荷的70%，且兩種爐型中對流段部分爐管和鋼結構差別不大，所以主要對兩種爐型的輻射段部分進行比較分析。方爐和圓爐輻射段爐管和爐膛基本數據對比見表2。

表2 爐管及爐體基本數據

2 工藝參數對比

對比兩種爐型的工藝參數，分別從管內介質溫度、氣化率、壓降、爐管最高熱強度、流速、流型、橋墻溫度、體積熱強度等方面進行分析。

2.1 管內介質溫度、傳熱系數的分析

輻射爐管外壁溫度、爐管內膜溫度以及管內介質溫度隨介質流動順序排序如圖3所示。

圖3 溫度變化

由圖3可見：爐管外壁溫度、內膜溫度和管內介質的溫度升高曲線平緩，內膜溫度和管內介質溫度差變化微小，其中方爐第18～19根爐管的內膜溫度有明顯的升高，隨著管內介質不斷氣化流速增大，在第18～19根管內流體由氣泡流轉為環(huán)霧狀流。氣泡流中，液相為連續(xù)相，氣相為彌散相；環(huán)霧狀流氣相為連續(xù)相，液膜被沖散到管壁上形成環(huán)狀，也有一部分液體被吹至氣流中形成霧沫【1】。同樣，圓爐第31～32根爐管也存在這一現象，其管內流型由環(huán)狀流變?yōu)殪F狀流，環(huán)狀流中有環(huán)狀液膜，而隨著流速增加，環(huán)狀液膜消失，形成單純的霧狀流。

對于氣液兩相流體，采用近似的傳熱系數

K2p=Kl×w1+Kv×wv【2】

式中：K2p——兩相流體傳熱系數；

Kl——液相傳熱系數；

Kv——氣相傳熱系數；

w1——液相質量分數；

wv——氣相質量分數。

隨著內膜溫度不斷增加，介質逐漸氣化，由于氣相的傳熱系數遠小于液相，且液相的傳熱系數也在降低，故整體的傳熱系數減小，如圖4所示。

圖4 氣液兩相傳熱系數

綜上所述，方爐和圓爐都可以滿足工藝要求的介質出、入口溫度和熱負荷，并且爐管傳熱均勻，介質溫度變化趨勢一致。

2.2 管內介質氣化率、壓降、流速的分析

爐管內介質氣化率變化曲線如圖5所示。由圖5可見：隨著溫度不斷增高，水平管和立管內介質的氣化率逐漸增大，到出口時達到近50%；立管內介質的氣化率在上升管段增大明顯，在下降管段增大幅度小，在輻射盤管前半段過程中介質在上升管段迅速氣化，在下降管段又有部分氣相液化，這容易對爐管產生沖擊、疲勞等不利的影響；并且在第8～17根爐管中介質呈現slug液節(jié)流的流型，這是不利于傳熱和爐管穩(wěn)定的流型。水平管介質的氣化率曲線平滑，流型均比較理想。

圖5 管內介質氣化率

爐管內介質壓力變化曲線如圖6所示。由圖6 可見：水平管和立管的管內壓力由于克服沿程阻力、局部阻力和出入口流速差產生的壓降，整體的趨勢為逐漸降低。圓爐立管管內壓降為431 kPa，相較方爐水平管管內介質壓降346 kPa而言偏大，這是因為立管內介質不但需要克服沿程阻力和局部阻力，還需要克服由下而上流動過程中的位能阻力。立管中介質會出現上升管段內壓力減小、下降管段位能的變化克服沿程摩擦阻力后壓力升高的現象，這種波動在純液相時最明顯；隨著介質氣化率增大、流速增加，上升管中流速變化大產生較大壓降，同時由于氣化需要克服的位能阻力減小，所以管內介質上升和下降段壓降的變化趨于緩和。

圖6 管內介質壓力

爐管內介質流速如圖7所示。由圖7可見：整體流速不斷增加，特別是出現氣化點時，介質流速發(fā)生驟增；同時圓爐中立管內介質的流速在上升管和下降管也有區(qū)別，在上升管內流速增大幅度高，在下降管內增大幅度低。

圖7 管內介質流速

綜上所述，水平管和立管內介質氣化率、壓降、流速變化趨勢一致，都能滿足壓降和流速的要求。但水平管內介質的氣化率、壓降和流速變化平緩；立管內介質的氣化率、壓降和流速在上升管段和下降管段出現周期性的變化，這種波動對爐管有一定的沖擊性。所以在這方面，水平管具有相對優(yōu)勢。

2.3 平均熱強度、最高熱強度、體積熱強度、橋墻溫度的分析

介質加熱過程中單根爐管平均熱強度變化情況如圖8所示。由圖8可見：隨著介質不斷被加熱，平均熱強度逐漸減小，這與2.1節(jié)分析的管內介質傳熱系數減小有關；水平管的平均熱強度略高于立管。沿爐管圓周和長度方向的受熱不均勻性導致爐管的局部熱強度變化。爐管間相互影響以及爐墻反射傳熱引起輻射熱強度的變化會產生周向熱強度的差異，沿爐管周向導熱和煙氣的對流流動可使周向熱強度的差異趨于減小。距離燃燒器遠近的差異和爐管所處爐膛內傳熱場位置的不同可使得爐管縱向熱強度產生變化【2】。

圖8 爐管平均熱強度

兩種爐型爐管縱向熱強度有差別，其中對于立管而言，其沿爐管縱向燃燒器火焰的放熱強度有差異。計算單根爐管最高局部熱強度和平均熱強度的比值可近似得出立管熱強度不均勻系數，其中，圓爐中每根立管的比值在1.83～1.84之間，方爐的水平管不均勻系數在1.81～1.82之間，說明每根立管的熱強度不均勻度略大于水平管。

方爐的體積熱強度為25 897 W/m3，橋墻溫度為778 ℃；圓爐的體積熱強度為35 120 W/m3，橋墻溫度為808 ℃?？梢?，圓爐的體積熱強度和橋墻溫度明顯高于方爐。綜上所述，立管和水平管的平均熱強度和傳熱不均勻度差別不大，圓爐的爐管結構緊湊，體積熱強度高。

3 爐型結構對比

3.1 占地及高度對比

方爐和圓爐的占地對比如表3所示，其中圓爐占地寬度按照爐體直徑8.252 m計算，兩個爐膛中心距為12.202 m，計算矩形占地面積約為170.0 m2。對比兩種爐型，圓爐的占地面積約為方爐的62%，所以在用地緊張的項目中，圓爐在滿足熱負荷的條件下更具有優(yōu)勢。圓爐對流室頂標高約為28 m，方爐對流室標高約為24 m。圓爐比方爐高主要為了保證輻射室立管的長度。但由于圓爐高徑比和爐膛直徑的限制，該爐型不適用于超大負荷加熱爐。

表3 占地對比

3.2 爐管和急彎彎管用量

兩爐的爐管管徑壁厚相同，均為φ168 mm×7.11 mm。方爐和圓爐輻射爐管的總長度相近，圓爐由于爐管數量多，急彎彎頭個數比方爐多約30%。圓爐爐管和急彎彎頭總長度略大于方爐，約為方爐的1.01倍。

3.3 鋼結構和襯里工程量對比

方爐和圓爐的鋼結構和襯里質量如表4所示。由表4可知：圓爐的鋼結構用量小于方爐，約為方爐質量的75%；對比兩者的非金屬用量，圓爐約為方爐69%左右；對比兩種爐型的總質量，圓爐約為方爐的74%，更具有經濟性和資源節(jié)約性。

表4 鋼結構和襯里質量

3.4 輻射室支撐結構和爐管膨脹問題

方爐水平管輻射室采用附墻支撐，3根爐管1組的管架共計160組，2根爐管1組的管架共計40組，管架總質量約10 t。爐管的膨脹方向為水平方向。圓爐采用常規(guī)的上部吊鉤和中下部拉鉤，其中吊鉤72組，拉鉤144組，總質量共計約7 t。爐管的膨脹是以吊鉤為支撐點向下膨脹。

兩種爐型的爐管設計時都預留了膨脹空間，其中方爐的爐管由于膨脹在出、入口外會對外接工藝管道產生應力，而圓爐由于采用上支撐結構而向下膨脹，所以自身解決了大部分的膨脹問題，對外接工藝管道產生的應力較小。所以在設計時需要考慮爐管的膨脹以及外接工藝管道對爐體設計產生的影響。

對比上述方爐和圓爐的結構參數可得，圓爐內爐管布置比較緊湊，可節(jié)省鋼材用料，更具經濟性和資源節(jié)約性。同時圓爐可節(jié)約占地，在平面空間緊張的項目中具有更大的優(yōu)勢。

4 制造、運輸對比

近年來加熱爐呈現大型化、復雜化的趨勢。針對大型復雜加熱爐，采用工廠分模塊制造、現場組裝的方式具有明顯的優(yōu)勢，同時結合優(yōu)良的海洋運輸條件，可進行整爐運輸。相比于傳統(tǒng)的現場施工，模塊化制造可以將大部分預制、焊接、檢驗等工序在專業(yè)的制造廠完成，從而減少現場的吊裝、高空焊接等工作，也減少了其他自然因素對現場施工的影響，可大大縮短現場施工進度，提高施工質量。

方爐和圓爐都可進行工廠模塊化制造，兩者的對流室制造、安裝差別不大，但是輻射室部分的模塊化制造、安裝有很大不同。大型圓爐輻射室鋼結構主要采用分片模塊化設計，即將傳統(tǒng)設計中完整的立柱、橫梁、筒體等進行縱向分割。圓爐輻射段模塊是帶有圓弧的結構，方爐分片模塊化后是平板結構，所以圓爐輻射段的分片模塊需要設置防變形的加強結構，以保證運輸、吊裝和組裝的順利進行。方爐分片的輻射段模塊加固措施較圓爐要簡單很多，在運輸、吊裝和現場組裝方面相較圓爐具有優(yōu)勢。

兩種爐型如果采用整體模塊設計和制造，則圓爐由于輻射室較高因而整體高度也較高，且其圓筒形結構使得SPMT運輸車的布置比方爐困難得多，因此，其整爐運輸需要的運輸框架結構更加復雜，且鋼結構用量多，方爐相較而言簡便且穩(wěn)定。

5 結語

綜上所述，方爐和圓爐各具優(yōu)劣勢，需要設計人員針對不同情況選擇合適的爐型。

1)工藝計算方面，方爐和圓爐都可以滿足工藝要求的介質出、入口溫度和熱負荷，并且兩者平均熱強度和傳熱不均勻度差別不大。方爐水平爐管內介質流型、壓降和流速變化比圓爐立管更優(yōu)。

2)結構設計方面，圓爐可節(jié)省鋼材用料，更具經濟性和資源節(jié)約性，同時還可節(jié)約占地，在平面空間緊張的項目中具有更大的優(yōu)勢。但由于受高徑比和爐膛直徑的限制，對于超大熱負荷加熱爐，圓爐爐型具有局限性。

3)制造運輸方面，方爐結構更利于模塊化制造、運輸和現場組裝。