國外某油田大負(fù)荷間接加熱爐設(shè)計(jì)選型方案比較

劉小鋒， 蘇海鵬

（華油惠博普科技股份有限公司 北京分公司， 北京 100088）

油田間接加熱爐是油氣集輸與儲(chǔ)運(yùn)過程中的重要設(shè)備之一， 它的主要功能是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，通過中間介質(zhì)水傳遞給原油、天然氣及井產(chǎn)物，使其被加熱到工藝要求的溫度，然后進(jìn)行輸送、沉降、分離、脫水和初加工等過程。 在國內(nèi)外油田間接加熱爐工程應(yīng)用中， 主要以SY/T 5262—2017 《 火 筒 式 加 熱 爐 規(guī) 范》［1］、GB/T 21435—2008 《相變加熱 爐》［2］、API SPEC 12K—2008 “Specification for Indirect Type Oilfield Heaters”［3］以及ASME 鍋爐壓力容器規(guī)范［4-6］作為主要設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和API 標(biāo)準(zhǔn)對爐體部分設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是， 殼體多采用橢圓封頭與圓形筒體加U 型火筒， 并按照壓力容器的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行火筒和殼體的強(qiáng)度校核，且API 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在國際上被廣泛應(yīng)用［7］。而國內(nèi)國家標(biāo)準(zhǔn)和ASME 鍋爐壓力容器規(guī)范中， 爐體多采用鍋殼鍋爐的結(jié)構(gòu)型式， 火筒采用室燃爐膽加回燃室的結(jié)構(gòu)型式［8-9］。 因此，對相同設(shè)計(jì)熱負(fù)荷特別是大負(fù)荷的油田間接加熱爐， 采用不同的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 其金屬消耗量和外形尺寸會(huì)存在相當(dāng)大的差別。

文中結(jié)合國外某油田原油處理裝置間接加熱爐的設(shè)計(jì)選型， 對油田間接加熱爐分類和型式進(jìn)行歸納，在既有工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了該原油處理項(xiàng)目間接加熱爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷， 通過火筒與熱交換器的傳熱計(jì)算， 提出了按照不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和規(guī)則設(shè)計(jì)建造的間接加熱爐方案， 給出了大負(fù)荷油田間接加熱爐選型的最優(yōu)方案和建議。

1 油田間接加熱爐分類與型式

根據(jù)現(xiàn)行的國內(nèi)外間接加熱爐設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)，從工藝參數(shù)考慮，以中間載熱介質(zhì)（主要指軟化水及其混合物）的設(shè)計(jì)與工作參數(shù)為主，可以將間接加熱爐分為水套爐和相變加熱爐（圖1）。

圖1 按工藝參數(shù)分類的間接加熱爐類型

從整體結(jié)構(gòu)，即熱源（指產(chǎn)熱部分）與熱用戶（指用熱部分的熱交換器） 的相互結(jié)構(gòu)關(guān)系考慮，間接加熱爐可分為整體式（或一體式）水套爐、整體式（或一體式）相變加熱爐與分體式相變加熱爐（圖2）。

圖2 按整體結(jié)構(gòu)分類的間接加熱爐類型

從局部結(jié)構(gòu)考慮， 主要是對間接加熱爐燃燒系統(tǒng)、承載熱源及熱交換器的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行區(qū)分。不管是水套爐還是相變加熱爐， 其主要組成結(jié)構(gòu)均可分為兩類， 即爐體和火筒采用鍋殼鍋爐與室燃爐膽、壓力容器（橢圓封頭與圓形筒體組合）與U 型火筒這2 種類型（圖3）。

圖3 按局部結(jié)構(gòu)分類的間接加熱爐類型

2 間接加熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核差異

2.1 整體式間接加熱爐

國內(nèi)外常用的整體式間接加熱爐主要有2 種結(jié)構(gòu)型式，其在外形上有明顯區(qū)別，分別體現(xiàn)了壓力容器和鍋殼鍋爐的特征［10］。 對壓力容器式間接加熱爐， 其受壓元件的強(qiáng)度校核計(jì)算按照壓力容器的計(jì)算規(guī)則進(jìn)行。而對鍋殼鍋爐式間接加熱爐，除了加熱盤管可以按照壓力容器的計(jì)算規(guī)則進(jìn)行強(qiáng)度校核外， 其余部分受壓元件均按照鍋殼鍋爐的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證， 甚至加熱盤管也可以按照鍋殼鍋爐或水管鍋爐的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。

為滿足石油工業(yè)工藝裝置安全性能的要求，油田間接加熱爐的設(shè)計(jì)建造主要采用壓力容器的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算方法， 其局部結(jié)構(gòu)集中體現(xiàn)了壓力容器的橢圓封頭、U 型火筒等特點(diǎn)。 而按照鍋殼鍋爐設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的油田間接加熱爐結(jié)構(gòu)則集中體現(xiàn)了鍋殼鍋爐的平管板、 波形爐膽等特點(diǎn)， 此結(jié)構(gòu)加熱爐大約從2000 年開始在國內(nèi)油田得到應(yīng)用， 主要以寧夏三新真空鍋爐制造有限公司、北京超拓遠(yuǎn)大石油科技有限公司、山東駿馬石油設(shè)備制造集團(tuán)有限公司和唐山冀東石油機(jī)械有限責(zé)任公司等企業(yè)為早期開發(fā)者。

2.2 分體式相變加熱爐

分體式間接加熱爐主要以分體式相變加熱爐的型式出現(xiàn)，其特征是換熱裝置位于爐體之外［11-12］。分體式相變加熱爐的換熱裝置可采用盤管， 也可采用標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器， 而爐體部分則采用壓力容器加U 型火筒或鍋殼鍋爐的室燃爐膽的結(jié)構(gòu)型式。 對傳統(tǒng)壓力容器式爐體加U 型火筒并外加標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器型式， 對流部分采用細(xì)煙管以增強(qiáng)傳熱。 對鍋殼鍋爐爐體加盤管的分體式相變加熱爐， 燃燒傳熱元件采用波形爐膽與對流煙管組合的型式［13-14］。

3 間接加熱爐設(shè)計(jì)要求與選型

3.1 被加熱介質(zhì)工藝參數(shù)與熱負(fù)荷

馬基努油田原油處理裝置被加熱介質(zhì)為氣、液混合物， 進(jìn)液溫度85 ℃（夏季工況）/65 ℃（冬季工況）、出液溫度105 ℃，被加熱介質(zhì)質(zhì)量流量約291 262 kg/h（夏季工況）/297 667 kg/h（冬季工況），具體工藝參數(shù)見表1。

表1 不同工況下馬基努油田原油處理裝置被加熱介質(zhì)工藝參數(shù)

3.2 加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)參數(shù)確定

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，按照文獻(xiàn)［15］中的加熱爐負(fù)荷計(jì)算公式，得到夏季工況、冬季工況間接加熱爐的總熱負(fù)荷分別為3 764 kW、7 870 kW。 可以看出，冬季屬于加熱負(fù)荷最大的階段，因此以冬季工況的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。 油田間接加熱爐的設(shè)計(jì)運(yùn)行熱效率通常為80%～90%，在不考慮爐體散熱的情況下， 其總的計(jì)算熱負(fù)荷為8 744.4～9 837.5 kW。選用較低計(jì)算熱負(fù)荷并考慮1.1 倍設(shè)計(jì)余量， 最終確定加熱爐總設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為10 000 kW。根據(jù)初步設(shè)計(jì)估算的加熱爐外形尺寸和加熱爐標(biāo)準(zhǔn)熱負(fù)荷型譜， 確定加熱單元共設(shè)置間接加熱爐2 臺(tái)， 每臺(tái)加熱爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為5 000 kW。

考慮到被加熱介質(zhì)出口溫度要求在105 ℃，根據(jù)計(jì)算確定的加熱爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷， 必須采用溫度較高的設(shè)計(jì)參數(shù)， 且設(shè)計(jì)溫度至少要高于被加熱介質(zhì)溫度15～20 ℃。 結(jié)合業(yè)主方對間接加熱爐的要求、介質(zhì)出口溫度和相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等因素，最終確定間接加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)為，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷5 000 kW、殼體設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa（G）、殼體設(shè)計(jì)溫度-29～154 ℃、殼體操作壓力0.4 MPa（G）、殼體操作溫度145 ℃。

3.3 加熱爐火筒熱力計(jì)算與熱交換器選型

根據(jù)確定的加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)， 依據(jù)不同設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出了6 種加熱爐方案，按照《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》［16］進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)型式加熱爐火筒的熱力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)型式間接加熱爐火筒熱力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)熱交換器的型式選擇各方案對應(yīng)熱交換器的計(jì)算方法， 其中盤管型式熱交換器采用自編的盤管熱交換器計(jì)算程序計(jì)算， 并結(jié)合行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)加以確定。 標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器采用專用的國際通用熱交換器計(jì)算軟件進(jìn)行選型計(jì)算， 結(jié)果見表3。

表3 間接加熱爐熱交換裝置選型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2 和表3 的計(jì)算結(jié)果可知， 各方案均能滿足加熱爐工藝運(yùn)行要求， 其中方案5 加熱爐的排煙溫度較高、 計(jì)算熱效率較低且燃料消耗量相對較高，而其他方案加熱爐的排煙溫度、計(jì)算熱效率及燃料消耗量都比較合適。

3.4 加熱爐結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)表2、表3 的計(jì)算結(jié)果，給出了幾種傳統(tǒng)U 型火筒加熱爐結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 所示幾種結(jié)構(gòu)均按照壓力容器體系和設(shè)計(jì)理念進(jìn)行強(qiáng)度校核， 而方案6 加熱爐的爐體部分按照鍋殼鍋爐的型式進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，得到的不同結(jié)構(gòu)型式加熱爐計(jì)算結(jié)果見表4。從表4可以看出， 采用鍋殼鍋爐與標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器的分體式相變加熱爐設(shè)計(jì)方案， 其在金屬消耗量和外形尺寸方面具有較大優(yōu)勢。 這種結(jié)構(gòu)比較緊湊、布置集中，對加熱爐整體金屬消耗量和外形尺寸的影響比較明顯。 但考慮到國外油氣田間接加熱爐是采用壓力容器體系設(shè)計(jì)的， 故推薦采用表4 中方案3 的加熱爐結(jié)構(gòu)， 既滿足國外建造標(biāo)準(zhǔn)的要求， 又具有同類型加熱爐中金屬消耗量和外形尺寸最小的優(yōu)勢。

圖4 傳統(tǒng)U 型火筒加熱爐結(jié)構(gòu)示圖

表4 不同結(jié)構(gòu)型式加熱爐選型計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)有的加熱爐技術(shù)水平和國外有關(guān)項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐，在壓力容器體系下，采用傳統(tǒng)U 型火筒和標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器的分體式加熱爐, 其整體金屬消耗量和外形尺寸具有良好的優(yōu)勢。 而在鍋爐標(biāo)準(zhǔn)體系下， 由于按照鍋殼鍋爐方法設(shè)計(jì)的設(shè)備受熱面結(jié)構(gòu)布置比較緊湊， 因此相應(yīng)的加熱爐外形結(jié)構(gòu)尺寸和金屬消耗量也比較小， 且采用標(biāo)準(zhǔn)管殼式熱交換器的分體式相變加熱爐設(shè)計(jì)方案，加熱爐具有最小的金屬消耗量和外形尺寸。

實(shí)際應(yīng)用證明， 采用鍋殼鍋爐方法設(shè)計(jì)的油田間接加熱爐具有金屬消耗量低、 外形尺寸小及成本低等優(yōu)勢［17-18］。 但壓力容器設(shè)計(jì)方法在油田設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛， 國外項(xiàng)目中間接加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核主要采用壓力容器設(shè)計(jì)方法，采用鍋殼鍋爐設(shè)計(jì)方法的相對比較少，因此，建議在進(jìn)行國外項(xiàng)目間接加熱爐設(shè)計(jì)中采用壓力容器設(shè)計(jì)方法。