無(wú)水擊加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用效果研究

袁勝?gòu)?qiáng)

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812)

某公司的1#、2#罐原本利用盤管式罐內(nèi)加熱器進(jìn)行罐內(nèi)介質(zhì)加熱，由于盤管式加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、盤管設(shè)置數(shù)量較多，在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)水擊嚴(yán)重、蒸汽耗量大、升溫慢、加熱效果不理想以及開(kāi)關(guān)使用不方便等問(wèn)題，加之加熱盤管組數(shù)較多，安裝費(fèi)偏高以及使用過(guò)程中出現(xiàn)水擊等情況，現(xiàn)如今已逐步在使用中被淘汰。為保證儲(chǔ)罐加熱升溫過(guò)程中安全平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)減少蒸汽消耗，并提高加熱效率，減少加熱過(guò)程中操作勞動(dòng)強(qiáng)度，須采用新型加熱器，優(yōu)化加熱方式[1]。因此，在儲(chǔ)罐檢修時(shí)，將罐內(nèi)原有盤管式加熱器更換為無(wú)水擊加熱器進(jìn)行試用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，1#、2#罐在加熱過(guò)程中優(yōu)化了原有盤管加熱器的所有弊端。總之，經(jīng)過(guò)初步實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)水擊加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用性能較優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)常壓儲(chǔ)罐加熱效率與加熱水平的提升，并很大程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸汽與加熱消耗時(shí)間的提升。因此，對(duì)同類型儲(chǔ)罐加熱器進(jìn)行改造，對(duì)其企業(yè)生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展具有一定的借鑒意義[2]。為了明確同類型儲(chǔ)罐加熱器的改造、優(yōu)化與設(shè)計(jì)方向，下述將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式，開(kāi)展無(wú)水擊加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用效果研究，以此種方式進(jìn)一步掌握無(wú)水擊加熱器在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 加熱器使用概況

目前該公司保溫儲(chǔ)罐內(nèi)普遍采用的加熱器為盤管式加熱器進(jìn)行罐內(nèi)油品加熱，盤管式加熱器采用無(wú)縫鋼管彎曲為圓形后安裝在罐底板上，根據(jù)儲(chǔ)罐容積增加罐內(nèi)加熱盤管組數(shù)，各組并聯(lián)安裝，自罐中心至罐邊緣水平排開(kāi)。每組加熱盤管在罐壁外部位置安裝有進(jìn)汽閘閥和出汽疏水閥[3]。該加熱器在安裝時(shí)因蒸汽進(jìn)口高于蒸汽疏水口，更加有助于對(duì)加熱過(guò)程中冷凝水的排出。但在公司實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)受到加熱器自身性能的影響，在使用中出現(xiàn)水擊問(wèn)題，此種問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致盤管變形、撕裂破損。同時(shí)盤管式加熱器在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)蒸汽耗量大、升溫慢、加熱效果不理想等現(xiàn)象，由于加熱盤管組數(shù)較多，每組都設(shè)有閥門和疏水閥門，日常操作和維修強(qiáng)度較大等影響，對(duì)儲(chǔ)罐安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)生產(chǎn)帶來(lái)較大影響。

1#、2#罐內(nèi)原先設(shè)有24組盤管式加熱器，在日常使用過(guò)程中水擊現(xiàn)象明顯，加熱升溫速度較慢，蒸汽能耗高。在該罐開(kāi)罐維修時(shí)，將盤管式加熱器全部割除，同時(shí)在罐壁上遺漏的48個(gè)孔洞進(jìn)行封堵。無(wú)水擊加熱器因加熱器體積小、所占面積少、排列有規(guī)律、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均為預(yù)制件等原因安裝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)快捷安裝[4]。通過(guò)更換無(wú)水擊換加熱器，將1#、2#罐原有加熱管組數(shù)從24組減少至3組。

1.2 1#、2#罐采用無(wú)水擊加熱器原理

為證明加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用效果，公司選用新式無(wú)水擊加熱器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，展開(kāi)測(cè)試研究。

無(wú)水擊加熱器利用冷凝水與蒸汽的密度差進(jìn)行兩者之間的分離。采用立式結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，將加熱盤管豎直于罐底板進(jìn)行安裝[5]。通過(guò)豎直安裝，蒸汽在管路中的上部流過(guò)，冷凝水在管路中的下部流出，在加熱過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行水汽分離，從而避免了水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生，有效提升了加熱器在使用中的熱交換效率，降低了加熱過(guò)程中的蒸汽耗能。

本次實(shí)驗(yàn)選用的無(wú)水擊加熱器是由若干組加熱盤管單元豎直組裝而成。每一組加熱盤管單元設(shè)有2.0根立管，在2.0根立管之間安裝有4.0根螺旋翅片橫管相互連接，在橫管上安裝翅片用于增加散熱面積。根立管的外側(cè)有連接相鄰加熱單元的橫管，上層流蒸汽，下層流冷凝水，可有效避免水擊產(chǎn)生。加熱單元具體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 無(wú)水擊加熱器加熱單元具體結(jié)構(gòu)

圖1中，1表示為冷凝管接口(出口)；2表示為汽水分離管；3表示為蒸汽管接管(進(jìn)口)；4表示為蒸汽管接管(出口)；5表示為螺旋翅片管。掌握無(wú)水擊加熱器加熱單元具體結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行加熱單元的連接處理，示意圖如下圖2所示。

圖2 加熱單元連接安裝示意圖

無(wú)水擊加熱器與普通盤管式加熱器相比，換熱效率高的主要原因是加熱單位面積所使用的長(zhǎng)度比盤管式加熱器短。表1是無(wú)水擊加熱器和盤管式加熱器在加熱相同面積時(shí)所用設(shè)備的長(zhǎng)度對(duì)比。

表1 無(wú)水擊加熱器和盤管式加熱器設(shè)備長(zhǎng)度對(duì)比

按照上述圖1與圖2所示的內(nèi)容進(jìn)行無(wú)水擊加熱器的安裝，根據(jù)加熱處理過(guò)程中的實(shí)際需求，選擇加熱器設(shè)備對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度，完成對(duì)1#、2#罐采用無(wú)水擊加熱器原理的分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)計(jì)算

為更加直接地檢驗(yàn)無(wú)水擊加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用效果，公司決定在原常壓儲(chǔ)罐區(qū)中的1#、2#罐內(nèi)新增無(wú)水擊加熱器。實(shí)驗(yàn)中，采用靜態(tài)加熱的方式對(duì)1#、2#罐進(jìn)行加熱處理(在收油停止后開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行加溫處理)。

1#罐與2#罐均為5000 m3保溫儲(chǔ)罐，均儲(chǔ)存燃料油且2臺(tái)儲(chǔ)罐加熱面積相同。2#罐采用無(wú)水擊加熱器進(jìn)行罐內(nèi)加熱；2#罐采用盤管式加熱器進(jìn)行加熱。在正常生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)2臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行升溫速度、水擊情況、換熱效率進(jìn)行對(duì)比。

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算在加熱過(guò)程中，無(wú)水擊加熱器的熱效率，將其作為無(wú)水擊加熱器加熱效果對(duì)比結(jié)果，計(jì)算公式如下：

C=lg(v+a)

(1)

公式(1)中：C表示為無(wú)水擊加熱器熱效率；v表示為升溫速度；a表示加熱材料體積百分?jǐn)?shù)。在掌握無(wú)水擊加熱器熱效率后，將蒸汽能耗作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)，進(jìn)行無(wú)水擊加熱器蒸汽能耗計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(2)

公式(2)中：G表示無(wú)水擊加熱器加熱過(guò)程中的蒸汽能耗；h表示材料在常壓儲(chǔ)罐中的高度；g表示為；β表示為加熱材料熱膨脹系數(shù)；λ1與λ2分別表示進(jìn)入熱蒸汽量與導(dǎo)出的蒸汽量；Pr表示內(nèi)壁放熱系數(shù)。

在加熱測(cè)試過(guò)程中，進(jìn)行無(wú)水擊加熱器連接終端傳感器信息的實(shí)時(shí)反饋，將計(jì)算數(shù)值代入公式(1)與公式(2)中，計(jì)算無(wú)水擊加熱器在加熱使用中的熱效率與蒸汽能耗。對(duì)比使用盤管加熱器在加熱處理過(guò)程中的指標(biāo)，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 升溫對(duì)比

對(duì)2臺(tái)罐升溫前，進(jìn)行盤管加熱器(2#)與無(wú)水擊加熱器(1#)的液位分析，明確前者液位為12.538 m，后者液位為12.579 m后，對(duì)其溫度變化情況進(jìn)行跟蹤比較，結(jié)果如下表2所示。

表2 2臺(tái)罐溫度進(jìn)行跟蹤比較結(jié)果

備注：2臺(tái)罐加熱方式：蒸汽；蒸汽閥門開(kāi)度：75 %；蒸汽溫度：182 ℃。

從上述表2跟蹤數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)水擊加熱器升溫速度明顯大于盤管加熱器升溫速度。

2.2 蒸汽能耗分析

將測(cè)試中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式，得到蒸汽閥門開(kāi)度與2種加熱器相對(duì)應(yīng)的蒸汽能耗，如下表3所示。

表3 蒸汽閥門開(kāi)度與2種加熱器相對(duì)應(yīng)的蒸汽能耗

按照蒸汽閥門開(kāi)度為75 %，從節(jié)約蒸汽的角度來(lái)核算，每小時(shí)節(jié)約蒸汽量約在0.3噸。

2.3 能耗對(duì)比

結(jié)合溫升速度和能耗分析，無(wú)水擊型加熱器加熱24 h罐內(nèi)介質(zhì)溫度上升2.98 ℃，盤管式加熱器加熱24 h罐內(nèi)介質(zhì)溫度上升2.37 ℃。當(dāng)蒸汽閥門開(kāi)度為75 %時(shí)，盤管式加熱器將罐內(nèi)溫度加熱至2.98 ℃需要30 h，比無(wú)水擊加熱器多出6 h。通過(guò)計(jì)算無(wú)水擊加熱器比盤管式加熱器節(jié)約蒸汽約30 %。表4是2種加熱器能耗對(duì)比統(tǒng)計(jì)表：

表4 2種加熱器能耗對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，盤管加熱器的溫升小于無(wú)水擊加熱器的溫升，盤管加熱器的總蒸汽能耗大于無(wú)水擊加熱器的總蒸汽能耗，由此證明無(wú)水擊加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用效果要明顯優(yōu)于盤管加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用效果。

2.4 應(yīng)用結(jié)論分析

通過(guò)無(wú)水擊加熱器與盤管式加熱器在實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)比結(jié)果，得出下述四個(gè)方面的結(jié)論：

其一，無(wú)水擊加熱器在實(shí)際應(yīng)用中的加熱速度快，節(jié)能效果明顯。主要是由于無(wú)水擊加熱器整體結(jié)構(gòu)采用立式設(shè)計(jì)。因此，在使用過(guò)程中具有顯著的水汽分離功能，當(dāng)蒸汽在運(yùn)輸管路中的推進(jìn)速度提升時(shí)，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)效率將呈現(xiàn)一種提升趨勢(shì)。與此同時(shí)，常壓儲(chǔ)罐的有效加熱面積提升，熱效率顯著提高。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，能夠得出以下結(jié)論：

其一，無(wú)水擊加熱器加熱速度比盤管式加熱器加熱速度快，同時(shí)節(jié)約蒸汽用量約30 %左右。

其二，在實(shí)際操作中，無(wú)水擊加熱器的操作安全顯著提升，主要是由于無(wú)水擊加熱器在運(yùn)行中受到冷凝水與熱蒸汽的同步推進(jìn)，解決了無(wú)水擊加熱器在使用中的水擊問(wèn)題。與此同時(shí)，降低了無(wú)水擊加熱器的泄漏率，當(dāng)泄漏率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)后，對(duì)加熱器的檢修次數(shù)對(duì)應(yīng)減少，裝置整體使用壽命得到提升。

其三，無(wú)水擊加熱器具有安裝方便的優(yōu)勢(shì)，加熱單元在常壓儲(chǔ)罐中的占比空間較小，整體排列具有秩序性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可先行預(yù)制，實(shí)現(xiàn)快捷安裝。

其四，供氣點(diǎn)與疏水點(diǎn)少，在使用時(shí)減少操作勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約閥門及疏水閥等配套設(shè)備

在此基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)水擊加熱器在使用中的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析：無(wú)水擊加熱器在加熱相同油品使溫度上升1.0 ℃時(shí)，相比于盤管式加熱器節(jié)約蒸汽約30.0 %。1#罐平均每月蒸汽用量為425.0噸，節(jié)約蒸汽127.5噸。按市場(chǎng)價(jià)每噸蒸汽平均約300元/噸，1#罐每月可節(jié)約蒸汽3.8萬(wàn)元，每年可節(jié)約45.9萬(wàn)。綜上所述，無(wú)水擊加熱器的經(jīng)濟(jì)效益良好。

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了無(wú)水擊加熱器在常壓儲(chǔ)罐加熱中的應(yīng)用效果研究，通過(guò)此次研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)水擊加熱器無(wú)論是在加熱溫升速度、蒸汽用量，均優(yōu)于舊式的盤管加熱器。無(wú)水擊加熱器冷凝水分路推進(jìn)，消除了水擊現(xiàn)象，加熱器泄漏率降低，使用壽命高，安全性好。相同加熱面積下無(wú)水擊加熱器在罐內(nèi)所占面積小，排列有規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝比較快捷，均優(yōu)于盤管式加熱器。由于蒸汽能耗降低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，降低儲(chǔ)罐加熱成本，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的降本增效，對(duì)同類型儲(chǔ)罐加熱器改造具有一定借鑒意義。