不同中间载热介质天然气加热炉的研究.pdf

1 20 6 化 工 进 展 C HE MI C A L I NDUS T R Y A ND E N GI NE E R I N G P R OG R E S S 2 0 1 2年第 3 1 卷第 6期 不同中间载热介质天然气加热炉的研究 郭 韵 ， 一 ，曹伟武 ，钱尚源 2 7严 平 上海理工大学，上海 2 0 0 0 9 3 ； 上海工程技术大学机械工程学院，上海 2 0 1 6 2 0 摘 要天然气加热炉是采用中间载热介质间接加热的一种特殊的炉型形式，中间载热介质的性质及其传热过 程的形成是影响天然气加热炉效率的重要关键 因素。本文通过天然气加热炉试验系统对大筒体内水和 乙二醇两 种不同中间载热介质的温度分布和热流场进行了分析比较，研究不同中间载热介质对天然气加热炉换热的影响， 并结合工程实际的需要 ，从中间载热介质的选择和加热炉整体传热结构两方面，提出了改善天然气加热炉效率 的有效途径，并获得了国家发明专利授权。 关键词天然气加热炉；载热介质； 乙二醇；试验系统 中图分类号T E 9 6 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 06 6 1 3 2 0 1 2 0 61 2 0 6 0 5 I n ve s t i g a t i o n o n na t ur a l g a s he a t e r wi t h d i f f e r e n t he a t - t r a ns f e r m e d i u m G U O Y u n ’。 ，C AO W e i w u ，Q I A NS h a n g y u a n ，Y A NP i n g 2 Un i v e r s i t y o fS h a n g h a i f o rS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3，Ch i n a ； Co l l e g e o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a n g h a i Un i v e r s i ty o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ，Ch i n a Abs t r a c t As a s pe c i a l t y pe o f f ur na c e， t h e na t u r a l g a s h e a t e r a d o p t s t h e i nd i r e c t h e a t i ng by t he h e a t t r a ns f e r m e di um．Ap pa r e nt l y， t he p r o pe r t i e s of t he he a t t r a ns f e r me di um a n d t he f o r m o f h e a t t r a ns f e r p r oc e s s o f t h e h e a t t r a n s f e r me d i u m i n t he c y l i n de r a r e t he ke y e l e me nt s t h a t g r e a t l y a f f e c t t he t h e rm a l e ffi c i e n c y o f n a tur a l g a s h e a t e r ． An a l y s i s a n d c o mp a r i s o n o f t h e t e mp e r a tur e d i s t r i b u t i o n a n d flo w c o n d i t i o n b e t we e n t h e wa t e r a n d e t h y l e n e g l y c o l i n t h e c y l i n d e r we r e c a r r i e d o u t b y e x p e r i me n t a l i n ve s t i ga t i o ns ．Ba s e d o n t h e i n ve s t i ga t i o ns o n me d i u m s e l e c t i o n a nd he a t e r ’ S i nt e g r a l s t r u c tur e a nd c o mbi n i n g wi t h t h e e ng i n e e r i ng p r a c t i c a l n e e ds ，e f f e c t i v e m e a s u r e s t o i mpr o v e t he e ffi c i e nc y of na tu r a l g a s h e a t e r s h a ve be e n b r o ug ht f o r wa r d i n t hi s a rti c l e a n d t h e t e c h no l o g y ha s g o t i t s e l f t h e Chi n a i nv e nt i o n p a t e nt s ． K e y wo r ds n a tur a l g a s h e a t e r ； h e a t t r a ns f e r me d i um ； e t h yl e n e g l y c o l ； e x p e r i m e n t a l s ys t e m 在天然气开采和输送过程中，为防止由于天然 气温度过低而导致其 中含有的水合物析出凝结成固 体，堵住管道设备，引起事故 ，需要加热【 J J ；在天 然气应用过程中，往往需要对其减压，当压降较大 时会导致天然气温降过大，为满足燃烧需要 以及提 高效率等工艺要求，需要加热【 2 J ；此外，在液化天 然气 L NG输配应用系统 中，要使 L NG 气化 ， 也需要加热。 因此 ，天然气加热炉是天然气供应流程 中不可 缺少 的重要装备，应用面广且量大，设计制造高效 节 能的天然气加热炉极为重要 。 天然气加热炉的特殊结构 天然气加热炉 的加热对象是需要升温 的天然 气，且往往是中压或高压 的原料天然气。原料天然 气本身易燃易爆，为安全起见 ，相关标准规定不准 用明火或烟道气直接加热 ，而必须通过中间载热介 收稿 日期2 0 1 2 ． 0 3 2 0 ；修改稿 日期 基金项 目上海市重点学科建设项 目 技攻关项 目 7 2 1 1 2 0 1 5 。 2 Ol 2 ． 0 3 2 9。 P 1 4 0 1 及上海市科委重大科 第一作者及联系人郭韵 1 9 7 6 一 ，女，博士，副教授，现主要从 事天然气加热技术的研究。E ma i l g r a c e g u o 1 9 7 7 1 2 6 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 郭韵等不同中间载热介质天然气加热炉的研究 1 2 0 7 质问接加热天然气。 因此 ， 天然气加热炉通常采用整体组装式结构 ， 在一个大直径的大容积筒体内布置火筒、烟管束等 加热受热面和对流管束等冷却受热面，加热和冷却 受热面以大筒体圆截面中心轴呈轴对称布置，且都 浸没于中间载热介质 中，如图 1 所示。加热炉工作 时，燃料气和空气 由燃烧器混合后喷入大简体下部 一 侧 的火筒燃烧产生高温烟气，烟气经火筒流入大 筒体下部另一侧的烟管束，最后经烟囱排入大气。 由于火筒、烟管束和对流管束均浸没在中间载热介 质中，高温烟气将热量通过火筒壁和烟管壁传递给 中间载热介质 ，中间载热介质再将大部分热量通过 对流管束壁传递给被加热天然气 。 所以在该过程中， 中问载热介质 的选择及其传热过程 的形成，是影响 天然气加热炉效率的重要环节【 j J 。 图 1天然气加热炉结构示意图 l 一燃烧器；2 一火筒；3 一烟管束；4 ， 5 一对流管束进、出13；6 一烟囱 2 中间载热介质的选择 对于利用 中间载热介质作为传递热量载体 的 天然气加热炉 ，中间载热介质的选择非常重要。而 中间载热介质 的选择主要取决于操作温度，即加热 或冷却所要达到的温度 ，同时还要考虑温度调节的 方便以及载热介质 的比热容、蒸气压、沸点、凝固 点、热稳定性、毒性、腐蚀性和价格等因素L 4 ] 。其 中，传热性能的好坏、适用的压力和温度范围，决 定了天然气加热炉效率的高低和适用范围。 目前，油气田加热炉多采用水作为大简体内的 中间载热介质来传递热量，俗称水套炉【 5 ] 。众所周 知，水具有 良好的传热特性，并且不燃烧，价格低 廉。但受加热稳定性较差及大气压下饱和温度低的 制约 ，使用受到一定的限制 。近年来，乙二醇作为 中间载热介质常出现在工程实际中[ 8 - 1 o ] ,它是一种 无色透明糖浆状液体， 适用的压力和温度范围较宽， 性质也相对稳定。本文作者结合工程实际的需要， 对大筒体 内水和 乙二醇这两种 中间载热介质 的温 度分布进行分析 比较，研 究不 同中间载热介质对 天然气加热炉换热的影响，进而提 出改善的有效 途径 。 3 天然气加热炉试验系统 天然气加热炉试验系统由加热炉本体、燃气燃 烧器和加热系统、被加热系统 以及数据采集系统组 成，试验系统精度达 9 9 ． 5 ％。其中，加热炉本体为 一 台 1 3 0 k W 的实物天然气加热炉，在加热炉大筒 体上设计 了多个 人孔[ J 川 ，方便对设备结构实施改 造 ，进行天然气加热炉的一系列研究 ，如图 2 a 所示。 温度测量是本研究的一个关键 ，除了在大简体 外壁面、烟箱 、排烟管出口以及被加热天然气进出 口处布置 了温度测点， 还在大简体中心圆截面 D上 布置了一个八头 WR NK 型铠装热 电偶和一个单头 WR NK型铠装热电偶， 共 9个测点， 如图 2 f b 所示。 其中，测点 0位于截面圆心处；测点 1布置在大筒 体左侧的对流管束第三管程区域，测点 2位于大简 体右侧的对流管束第二管程区域，测点 3布置在大 筒体左侧 的对流管束第四管程区域 ，测点 4位于大 简体右侧 的对流管束第一管程 区域 ；测点 5 布置在 对流 第四 a 柬 程 流管束 一 管程 b 图 2 天然气 加热炉试验系统 然气 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 0 8 化 工 进 展 2 0 1 2年第 3 1 卷 烟管上方 ，测点 6布置在火筒上方，测点 7布置在 烟管下部，测点 8在大简体的底部。 4 试验方案 根据研究需要 ，分别选用水和乙二醇为载热介 质 。由于乙二醇价格相对较高，为避免造成浪费， 先对水进行试验。考虑到乙二醇的膨胀性，加热炉 内加入的乙二醇溶液要少于其容量的 5 ％以上，以 防止温度升高介质外溢。 鉴于大筒体 内中间载热介质容量较大 ，试验 时，大筒体内温度始终在变 ， 为判断试验工况是否 达到稳定或准稳定状态，必须确定判断标准。多次 测试发现 截面 D 圆心处的测点 0的重复性和一 致性都很好， 可以作为判断加热炉运行准稳定状态 的基准点， 定义为加热炉 中心温度。当监测到加热 炉中心温度维持在某一恒定值，其波动范围在士 0 ． 1 ℃内时，认为达到准稳定工况，此时开始数据采集 记录 。 5 试验结果与分析 5 ． 1 不同中间载热介质的筒内温度分布 图 3 f a 是燃料量为 8 m3 ／ h ，中间载热介质分别 为水和乙二醇时截面 JD上各测点的温度分布图。图 3 b 1 是燃料量为 1 6 mV h ，中间载热介质分别为水和 乙二醇时截面 D上各测点的温度分布 图。 从图 3中可见，无论中间载热介质是水还是乙 二醇 ， 截面上各对应测点的温度分布趋势基本一致 ， 截面的垂直和水平方向上有明显的温度分层现象。 最高温度均 出现在位于火筒上方的测点 6 ，其次为 烟管外壁附近的测点 5和测点 7 ，说明温度较高的 载热介质主要分布在火筒和烟管外壁面附近及顶 部。布置在对流管束附近 的测点温度相对较低，且 分布在 4个管程区域的测点之间存在一定温度差。 最低温度始终位于大筒体底部的测点 8处，在接近 大简体底部的区域 ，空间较窄，大简体 内壁导热层 与火筒和烟管外壁导热层重叠，形成纯导热区，成 为流动死角，因此该区域的温度最低，测点 8的温 度比其它区域的温度要低 5 ～1 5℃。 试验结果显示， 贴近火筒和烟管束壁面的载热介质温度较高，因此 将形成上升流，而对流管束 附近的载热介质温度相 对较低 ，则将形成下降流，由于加热和冷却受热面 以圆截面的水平直径对称布置，之问没有适当的通 道，导致这二股流动将发生碰撞而无法形成循环； 以圆截面垂直直径对称布置的火筒和烟管束之间， D 截面测点 a 燃料量8 m ／ h D截面测点 b 燃料量 1 6i-O 3 ／ h 图3 不同中间载热介质截面 D上的温度分布 以及对流管束 的各管程之间由于温差 ，也会出现流 动的对冲。 在整个流场中， 还存在着不少流动死角， 如大简体底部等。因此，天然气加热炉内加热和冷 却受热面对称布置的结构造成 中间载热介质流动不 畅，导致其传热效果大大下降，从而使天然气加热 炉效率降低 ，能耗高。 从图 3还可看 出， 当天然气加热炉稳定传热时 ， 在 同样条件下 乙二醇 的各测点温度 比水的温度 高 1 0 3 0℃。图 3 f a 1 中，燃料量为 8 1,n 3 ／ h ，乙二醇的 中心温度达 8 9 ． 5℃，而水的中心温度只有 7 5℃； 如 图 3 b 中，燃料量为 1 6 r n j ／ l 1 ，乙二醇的中心温度 达 1 1 0 ． 5℃，而水的中心温度只有 8 4 ． 4℃，这是因 为水的比热容量比乙二醇高得多而导致的。由于乙 二醇具有沸点高、蒸汽气压低的优点【 J 引 ，能在更宽 的温度范围内工作。但是，在接近大简体底部的局 部区域 ，乙二醇的温度 测点 8 相对于其它测点 温度，要低很多，这是因为乙二醇的黏度较大，削 弱了浮升力的作用，更容易形成流动死角 。 5 ． 2 不同中间载热介质加热炉的热效率 图 4是燃料量分别为 8 1T I ／ h 、 1 0 m ／ h 、 1 2 m ／ h 、 1 4 i r l ／ h 、1 6 m ／ h ，中问载热介质为水和乙二醇时天 然气加热炉的运行热效率。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 郭韵等不同中间载热介质天然气加热炉的研究 1 2 0 9 燃料量／ m3 ． h 图4 不同中间载热介质加热炉热效率 如图 4所示，随着燃料量的增加，天然气加热 炉热效率逐渐提高，载热介质为水时，当燃料量增 加到 1 0 m3 ／ h ，加热炉热效率达到峰值，载热介质为 乙二醇时， 加热炉热效率达到峰值时的燃料量为 l 2 m3 ／ l l ，燃料量继续增加，加热炉热效率反而下降， 这是因为当燃料量过大，相应的排烟热损失增加。 反之 ，当燃料量过小时，筒壁热损失增加，也将导 致加热炉运行热效率下降。 增大传热温差是强化传热的方法之～。本研究 中传热温差主要由被加热天然气和中间载热介质的 温度决定，其中被加热天然气的温度由生产工艺决 定，不能随意变动，而载热介质的温度则与所选载 热介质的性质有关。如前所述 ，当天然气加热炉稳 定传热时，在 同样条件下乙二醇的各测点温度均 比 水的温度高，也就是说，在所有对应工况下，介质 乙二醇的工作温度明显要高于介质水的工作温度。 以水为中间载热介质时的工作温度不高，造成载热 介质水与被加热天然气之 间的温压较小，从而降低 了传热效率；中间载热介质为乙二醇时工作温度较 高，最高可达 1 7 0 ℃，与被加热天然气的温压相对 较大 ，传热效率提高，从而加热炉运行效率相对更 高。因此，如 图4所示，在相 同试验工况下，采用 乙二醇时 的加热炉运行热效率均要 比采用水时的 高。这也是利用乙二醇作为中间载热介质的重要原 因之 一 。 在保持系统常压状态下，乙二醇能在较宽的温 度范 围内工作 。但 由于前述天然气加热炉常规结构 上的限制 以及 乙二醇黏性大等原因，不利于有效传 热流场形成， 因此， 通常情况下其热效率小于 8 7 ％。 如果能在加热炉传热元件 的设计上进行改 良， 将有 利于提高天然气加热炉的热效率和扩大适用范围。 6 天然气加热炉传热元件的优化 针对天然气加热炉传热结构上的不足 ，以及中 间载热介质乙二醇黏性较大的特性 ，提 出一种带隔 板的新型结构，即采用在大筒体内加装导流板组织 流场的方法，使中间载热介质形成有组织的流动， 从而充分利用加热和冷却受热面，达到提高天然气 加热炉效率的 目的。 导流板的设置，合理分隔火筒、烟管束和对流 管束之问中间载热介质的流动区域 ，迫使吸收高温 烟气热量 的中间载热介质顺着导流板方 向向上流 动，经过对流管束放热后，沿导流板另一侧向下流 动，形成循环均匀的流场。导流板起到 了使流场整 体有效顺畅流动的效果 。如图 5所示，火筒和烟管 束周围的上升流在双导流板的引导下，分别流经各 自上方的对流管束放热后，向下回流到火筒和烟管 束周围，从而在大简体内形成 由中间向上再经两侧 向下回流的双循环流场L J 引 。 图 5 导流型天然气加热炉热流场分布 图 通过加装导流板 ，引导中间载热介质在大筒体 中形成整体有组织的顺畅流动 ，消除热流场死角， 有效促使靠近壁面的热边界层变薄 ，从而提高了传 热效率。对于黏性较大的流体，如乙二醇，尤其需 要这种导流式 的强化传热方式 。所 以，就天然气加 热炉的特殊传热结构和载热介质乙二醇特性而言， 在大筒体 内加装导流板是一种有效的强化换热手 段，研究表明，加热炉效率可提高 3 ％I x 4 ] 。 1 结 论 1 天然气加热炉加热和冷却受热面对称布 置的结构不利于传热流场 的形成，造成天然气加热 炉热效率低 小于 8 7 ％ ，能耗高。 2 通过对水和 乙二醇两种中间载热介质进 下转第 1 2 1 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 1 4 化 工 进 展 2 0 1 2年第 3 1 卷 D／ rn m 图 7 速度分布的均方根差与撞击间距的关系 3 结 论 通过数值计算模拟立式循环撞击流反应器在不 同撞击间距结构和不同转速条件下的流场，分析得 出以下结论 。 1 撞击流反应器的反应区域内，流体的流动 呈现出近似镜像分布，在出口区，流体的轴向速度逐 渐减小， 而径向速度逐渐增大， 在撞击间距 D 1 2 0 r n r n 时，撞击区域轴向速度转化为径向速度趋于弱化。 2 在相同转速下，不同撞击间距对应的撞击 面径向速度平均值并不相 同， D- 8 0 mr n时的径向平 均速度值最大 ，传质效果相对最好，表明并非撞击 间距越小反应器的传质效果就越好，在一定的结构 条件下撞击间距对传质效果存在最优值 。 3 在相同转速下，撞击间距 D 6 0 1 T I 1 T I 时撞 击面径 向速度分布的均方根差 最大 ，速度分布的 梯度最大，撞击区域对应 的剪切力最大，更加有利 于湍动 混合 。 参考文献 E lp e m I T ． H e a t a n d ma s s t r a n s f e r i n o p p o s i n g c u r r e n t s [ J ] E n g Ph y s i c s， 1 9 61 6 6 2 6 8 ． 禹言芳， 张建伟． 撞击流反应器流场的有限元分析初探『 J ] ． 化工设 备与管道，2 0 0 5 ，4 2 1 5 4 ． 5 6 ． 伍沅撞击流 原理 }生 质 应用[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 6 张建伟，伍沅，舒安庆． 浸没循环撞击流反应器中压力波动特性 分析 ．化工学报，2 0 0 5 ，5 6 2 2 6 6 ． 2 6 9 ． 伍沅． 浸没循环撞击流反应器中国，L 2 3 0 3 2 6 4 [ P J l 2 0 0 0 ． 伍沅． 立式循环撞击流反应器中国，Z L 0 3 2 3 5 5 1 8 ． 1 [ P J l 2 0 0 3 伍沅． 撞击流性质及其应用【 J J ． 化工进展，2 0 0 1 ，2 O 1 1 8 - 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溶 7 4 液．换热器的研发 天津 换热，提高传热效率，降低能耗 。 天津 大学 ， 2 0 0 8 ． 5 导流型乙二醇天然气加热炉的结构简单， [ 1 o ]岑 兆海， 谢林 乙 二 醇 在天 然气 净 化装置 中的 应 用[ J ] 石油 与天 然 适用范 围广，启动快，效益明显，可在短期内回收 ⋯1气 Gu 化 oY L , ， ‘ 。 i 砒i 。 。 m。 。 n 。 、 v i m。 投资，易推广使用，经济效益非常可观。 c y l i n d e r t y p e n a t u r a l g a s h e a t e r [ C ] ／ ／ A s i a P a c i fi c P o w e r a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g Co n f e r e n c e ， Un i t e d S t a t e s ．． I EE E P E S， 2 01 0 ． 参考文献 [ 1 2 ]A S H R A E ． P h y s i c a l P r o p e i e s o f S e c o n d a r y C o o l a n t s [ M ] ． U S A Ha n d b o o k F u n d a me n t a l s ，2 0 0 5 [ 1 ] 戚斌． 天然气水合物生成预测及防治[ J ] l 天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 6 [ 1 3 ] G u oY， C a o w w， e t a 1 ． A p p l i c a t i o n a n d r e s e a r c h p r o g r e s s o f h e a t e r i n 8 9 ． 9 0 ． n a t u r a l g a s i n d u s t r y [ J ]He a t T r a n s f e r E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 1 ，1 1 3 2 [ 2 ] G u o Y u n ，C a o We i w u ． R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f t h e n a tu r a l g a s 1 0 0 3 - 1 0 0 8 h e a t e r [ C ] ／ ／ E n e r g y a n dE n v i r o n me n t T e c h n o l o g y ， L o s Al a mi t o s ， C A [ 1 4 ]曹伟武， 严平， 郭韵， 等．一种圆筒式气体加热炉热流场的改良结 I E E E C S ， 2 0 0 9 2 7 0 2 7 4 构中国，2 0 0 8 1 0 0 3 6 4 4 6 ．4 1 ．2 0 1 l 一 0 9 1 0 ． b糊 Ⅲ ⋯ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m