天然气加热炉的发展现状与改进探索.pdf

第2 9 卷第 1 2 期 天然气加热炉 的发展现 状与改进探索 * 郭 韵 曹伟武。 1 ． 上海理工大学能源与动力工程学 院 严 平 钱 尚源 2 ． 上海工程技术大学机械工程学院 郭韵等． 天 然气加 热炉的发展 现状 与改进探 索． 天然气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 2 9 7 一 1 0 0 ． 摘 要 作为一种特殊的炉型形式 ， 天 然气加 热炉采用中间载热介 质问接 加热 的方 式， 是天 然气生产、 输送 和 应用 中的主要耗能设备。为 了节能 降耗、 提 高加 热效 率， 必须结 合工程 实际的需 要， 优 化加热炉 的结构 ， 设计制 造 出高效节能 的天然气加热炉。为此 ， 分析 了天然 气加 热炉传 热的薄 弱环节及其 强化措 施， 针对 天然 气加热炉大 简 体 内换热面 的常规布置形式存在的缺陷 ， 提 出 了旋 转加热和冷 却受热面以及在 受热面之 间加装 导流板两种简单 而 有效的天然气加热炉改 良结构 ， 使 中间载热介质形成 整体有 组织 的顺 畅流 动并 强化传 热， 从 而达到 节能降耗和提 高天然气加热炉效率 的目的。 以上两项技术 已获得国家专利授权。 关键 词 天 然 气 加 热 炉 流 场 组 织 旋 转 大 筒 体 中 间载 热 介 质 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 1 2 ． 0 3 0 天然气 加 热 炉 常 用 于 井 口、 计 量 站 、 接 转 站 等 ， 将天 然气加 热 至工艺所 要 求 的温 度 ， 以便 进 行 运输 、 分离 和粗加 工等 图 1 。 图 1 现场运行的天然气加热炉示意 图 天 然 气在 使 用 过 程 中也 常 需 要 加 热 ， 如 在 燃 气 发 电机组 中 ， 其工 艺对 燃料 气 的压 力 、 温 度 和露 点要 求很 高 ] ， 电厂 使 用 的燃 料 气 必 须 经 过 调 压 和加 热 处理 。另外 ， 在 液化天 然气 L NG 输 配 应用 系 统 中 ， 要使 L NG气化 ， 也 必然会 用 到大量 加热 气化 炉 。 1 天然气 加热炉 的工作原理 天 然 气加 热 炉 采 用 整体 组 装 式 结 构 ， 在 卧 式 大 容积 筒 体 内布置 火 筒 、 烟 管 束 等 加热 受 热 面 和 多 回 程 对 流管 束 等 冷却 受 热 面 ， 筒 内充 注 中 间载 热介 质 作 为加热 和冷却 受热 面之 间 的传 热媒 介 ， 帮 助冷 、 热 两种 流体 达到传 热 的 目的 ， 中问载 热 介质 可 采用 水 、 乙二 醇溶 液 和 导 热 油 。通 常 ， 加 热 和 冷却 受 热 面沿 大筒 体 圆截 面 中 心轴 呈 轴 对称 布 置 ， 火 筒 和 烟 管束 位 于水平 轴 的下 方 ， 对称布 置 于垂 直 轴 的左 右侧 ； 多 回程 对 流 管 束 位 于水 平 轴 的上 方 ， 各 回程 也对 称 布 置 于垂直 轴 的左 右侧 ， 如 图 2所示 。 图 2 天 然 气 加 热 炉 结 构 示 意 图 天 然 气 加 热 炉工 作 时 ， 用 燃 料燃 烧 产 生 的 热量 加热 需要 加热 以达 到工艺 要求 的工业 用 天 然气 。燃 料和空气经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 折 人 大 简体 下 部 *本文受到上海市科委重 大科技攻关项 目 编号 7 2 1 1 2 0 1 5 和上海市 重点学科建设项 目 编号 P 1 4 O 1 的资助。 作者简 介 郭韵 ， 女 ， 1 9 7 6年生 ， 讲师 ， 博士； 毕业于上海理工大学 ， 主要从事 天然气 加热技术 的研 究工作 。地址 2 0 1 6 2 0 上海市 上海工程技术大学机械工程学 院。电话 1 3 6 5 1 8 9 8 0 7 6 。E ma i l g r a c e g u o 1 9 7 7 1 2 6 ． c o m 97 2 0 0 9 年 1 2 月 另一侧 的烟 管 束 ， 最后 经 烟 囱 向上 排 入 大气 。在 该 过程 中， 高温烟气将热量通过火筒壁和烟管束壁传 递给 中间载热 介质 ， 中间载热介 质 吸热 升 温 ； 同时 中 间载热介质将大部分热量通过对流管束壁面传递给 需要加热的工业用天然气 ， 中问载热介质放热降温。 天然 气加热 炉是采用 中间 载热 介质 问接 加热 的 一 种特 殊的炉 型 形式 ， 工 作 运 行 可靠 ， 但 启 动 慢 ， 是 天然气工业 中的重要 耗能 设备 之一 。提 高天 然气 加 热炉的热效率 ， 显然是一个必须解决的问题。 2 天然气加热炉传热系统分析 对 天然 气加 热 炉来 说 ， 烟气 、 中 间载 热介 质 、 需 加热 的 天然 气这 三 者 是通 过 火筒 、 烟 管 束 和对 流管 束进行 换热 的 。火筒 、 烟 管 束 和对 流 管 束 的材 料 均 为钢材 ， 其导热 系数为定值 ， 只有通 过提 高三 者之 间 的传热 系数 ， 加 热炉 的热 效率 才‘ 能 得 到提 高 。研 究 人员对 提高 天 然 气 加 热 炉热 效 率 投 入 了 大 量 的 精 力 ， 主要 考 虑 了烟 气 一 中 间载 热介 质 、 中 间载 热 介 质一 被加热介 质传热 系统 的换 热情况 。 2 ． 1 烟气一 中 间载 热介质传 热 系统 传统天然气加热炉的烟气一中间载热介质传热 系统 中 ， 火筒 和烟管热 负荷 的 比例 约为 6 4 ， 火 筒负 荷率偏大， 导致火筒结构不合理， 是造成天然气加热 炉结构 庞大 、 金属耗 量高 的一个重要 原 因。 火筒主要传递辐射热 ， 且换热量份额大， 因此燃 烧 器和火筒 的设 计是 关 键 。燃 气燃 烧 充 分 ， 烟 气 温 度高， 可有效提高烟气的辐射传热能力， 所以应采用 高效燃烧器 ， 合理经济地设计火简 ， 以供燃气充分燃 烧 。现 在的天然 气加热炉 多采 用机 械通 风微 正压 燃 烧方式 ， 燃 烧器 为强制供 风式燃 烧器 ， 并 配备 自动程 序点火 和熄 火保 护 装 置 。较 之 自然通 风 燃 烧 方 式 ， 加 热炉热效 率更高 、 结 构更 紧凑 。 烟管主要传递对流热， 尽管其换热面积 比火筒 大 ， 但 换热份额 少 ， 在很 大程度 上影 响 到天 然气 加热 炉的热效率、 钢耗量和外形尺寸， 因此需采取办法强 化烟管 的对 流换 热 效 果 。缩 小 管 径 、 提 高 烟 气流 速 能够 达 到强 化传 热 的 目的， 但 烟气 在 高速 流 动下 产 生 的阻 力很 大 ， 必 须 提 高 强 制 通 风 能力 ， 使 成 本 上 升 。近年来 ， 中 国石 油 大 学开 展 了采 用 三 维 内肋 管 作 为加热炉 烟管 的研 究 ， 结 果表 明 ， 烟 气 与三维 内肋 管的对流换热系数能达到光管的 4 ． 6倍一 ， 可以有 效地提高天然气加热炉的热效率， 降低金属耗量 ， 但 需要合理地控制烟气阻力。目前 ， 三维 内肋管的热 力 、 阻力 计算还依 赖于实 验资料 。 9 8 为增强 烟 气 和 中间载 热介 质 之 间 的换热 ， 开 展 了将热 管元件 应 用 于加 热 炉 的试 验 研究 通 常 是 在 烟管内插装热管元件 。由于烟管中的烟气温度 比 火筒低 ， 采用相对便宜的碳钢一水低温热管就能满 足要求 。实践 证 明 ， 热 管 元 件对 加 热 炉能 起 到 良好 的强化换 热 作用 。经 测 试 ， 热 管加 热 炉 的实 际 运 行 热效 率 为 8 7 ～ 8 8 ， 过 量 空气 系数 为 1 _ O 4～ 1 ． 1 7 ， 排烟 温度 为 1 6 0℃ ] 。但 热 管 的应 用 推 广受 到 冷 、 热流道 间 的密 封及热补偿 等 问题 的制约 。 2 ． 2 中间载热介质一 被加 热介质传 热系统 天然气加热炉的被加热介质是带压天然气 ， 传 统的气盘管一般做成蛇形盘管形式， 它的优点是制 作简单 ， 易于布置在天然气加热炉 内。为了提高传 热效率 ， 采取缩小 管径 、 提 高被 加热 介质 流速 的方 法 达到 强化 传 热 的 目的 ， 在设 计 时将 蛇形 加 热 盘管 由 大直径管改为小直径管组成 的多回程管束 ， 以取代 传 统大直 径管盘 。 为 了强 化 中间 载热 介 质与 被加 热 介质 的换 热 ， 也可采用真空相变技术。在密闭加热炉简体 内， 将 火 筒与 烟管 束 置 于相 变介 质 的液 相 空 间 内， 对 流管 束置 于相变 介 质 的气 相 空 间 内。工 作 时 ， 火 筒与 烟 管束 加热 相 变介 质使 其 沸 腾 ， 载热 介 质与 火 筒和 烟 管束问产生沸腾换热。同时， 产生的蒸汽上升， 在对 流管束的冷却下凝结 ， 载热介质 与对流管束间产生 凝 结换热 。随后 ， 液滴落下来 重新 汇 人液 相 ， 如 此反 复循环 。由于凝结换 热和沸腾 换 热是 高强 度 的对 流 换热 形式 ， 因此 ， 与 自然对 流 换 热过 程 相 比， 相变 换 热过 程 具 有 更 高 的 换 热 强 度 。实 践 证 明 ， 对 一 台 1 7 4 0 k w加热炉进 行 真空 相 变换 热 技术 改造 后 ， 运 行效率将 达到 8 9 ． 0 3 ， 节能效 果显著 j 。但 是相 变 传热受 到饱和压力 、 对流管束排数尤其是不凝 结气体 的影响很大 ， 更重 要 的是 ， 由于真 空加 热 炉 主要是通 过调节 真空度来调 节气相空 间的温度 ， 温度可 调范围 比常压天然气加热炉窄， 操作弹性小， 限制了其使用。 还 可采 用 高效 传 热元 件 来优 化对 流 管束 结 构 。 例如采用 可拆卸式 螺 旋槽 u 型 管束 ， 换热 系数 一 般 可以提高 5 0 左右 ， 但采用螺旋槽管使对流管束 阻力约增大一倍， 另外 ， 由于螺旋槽管 的造价较高 ， 一 般 根 据 被加 热介 质 的性 质 与状 态 ， 经 过综 合 评价 后决 定是否采 用 。 天然气加 热炉 的研 究随着 其应 用 的不 断增 加而 深人， 取得了很大的进展 ， 但仍侧重于从增加气相侧 的换热技术方 面着手 ] ， 忽视了对大筒体内中间载 热介质 的流动 与换 热研究 。 第 2 9 卷第 1 2 期 天然气工业 3 大简体 中间载热介质流 场的组织 在 常压 天 然 气加 热 炉 的整个 传 热 过 程 中 ， 中间 载热介质与火筒、 烟管束 和对流管束的传热形式为 自然对流 换热 。贴 近火筒 和 烟管 束壁 面 的介质 温 度 较 高 ， 形成 上升 流 ， 对 流管 束 附近 的介 质 温 度相 对 较 低 ， 形 成下 降流 。通 过 测 试 简 体 内中 间 载 热 介 质 的 温 度分 布 发 现 ， 天 然气 加 热 炉 大 简体 内换 热 面 的 常 规布 置形 式存在 如下 缺 陷 图 3 ①大 简体 内流 场 组织 紊 乱 ， 这 是 因为上 升 流 和 下 降 流 均是 自发 产 生 的 ， 没 有恰 当 的 流道 组 织 ， 二 股 流 之 间 易发 生 对 冲 ， 造成 流 动 不 畅及 加 热 不 匀 ； ② 大 简体 内流 场 上 下 温 差较小 ， 自然对 流的动 力小 ， 加 热受 热 面 和冷 却 受 热 面之 间的对 流传 热非 常弱 ， 传 热效 率低 ； ③在 整 个 流 场 中 ， 还存 在着不 少流 动死 角 ， 如大简 体底部 等 。 图 3 天 然气 加 热 炉 横 截 面 热流 场 分 布 图 注 1 ． 大筒体 ； 2 ． 火筒 ； 3 ． 烟管束； 4 ． 输入对流管束 ； 5 ． 输出对流管束 所 有 这 些 因素 都 不 利 于有 效 传 热 流 场 的形 成 ， 使加 热 和 冷却 受 热 面 的 有效 利 用 降 低 ， 造 成 筒体 内 传热 流场组 织紊乱 ， 从 而使 天然 气 加热 炉 效 率低 、 能 耗高 。显然 ， 中间载热介 质 传热 过 程 的形 成 ， 亦 即 大 容积简 体 内流场 的组织 是提 高 天然 气 加 热炉 效 率 的 关键点 之一 。 3 ． 1 天然 气加热 炉大 圆筒 旋转 流场研 究 针对 天然气加 热 炉大筒 体 内无 法 形 成有 效 传 热 流场 的缺点， 首先提出一种旋转型圆筒式天然气加 热炉 国家 实用新 型专 利 Z I 2 0 0 8 2 0 0 5 7 5 7 1 ． 9 将 大 简体 内对称 布置 的加热 受热 面 即火简 和烟 管束 ， 以 及冷却受热面 旋转适当的角度， 使加热受热面尽可 能置 于较低 的位 置 如 图 4所 示 ， 这 时大 筒 体 内 温度 最 高 的 火筒 位 于筒 体 的最 下 部 ， 形 成 一 股较 强 向上 的热压 ， 增 大 引 起 自然 对 流 的 动 力 ， 由于 火 筒 、 烟管 束 和对 流 管 束 内的 流体 存 在 温差 ， 促 使 大简 体 内 中间 载 热介 质 形 成顺 时针 循 环顺 畅 的热 流 场 ， 消 除大简 体底部 的“ 死角 ” ， 达 到强 化传 热 ， 提 高 效率 的 目的 。研 究表 明 该 旋 转 角 度 以 2 O 。 为最 佳 。 。 ] ， 旋 转 太小 ， 达 不到 增 大 动 力 的 目 ． 的 ； 旋 转太 大 ， 会 导 致 烟 管束与输入对流管束处于 同一水平位置 ， 反而破坏 了顺 畅 流场 的形成 。 图 4大 简体 顺 时 针 旋 转 2 O 。 的 热 流 场 分布 图 3 ． 2 天然 气加 热炉 筒 内加 装导 流板 组织流 场研 究 为加 强天然 气加 热炉 大简 体 内有 效传 热 流 场 的 组织 ， 提 出一 种 大 筒体 内加 装 导 流板 组 织 热 流场 的 改 良结构 国家 发 明专 利 Z I 2 0 0 8 1 0 0 3 6 4 4 6 ． 4 在筒 体上 部 的冷 却 受 热 面 和简 体 下 部 的 加 热 受 热 面 之 间 ， 沿筒体 轴 向设置导 流板 ， 导 流板 的长度 可 按 实 际 需要 沿 筒 体 轴 向分 割 成 几块 ， 这 样便 于加 工 安装 和 提高 使用效 果 ， 如 图 5所示 。 图 5 加装导流板天然气加热炉立体结构示意 图 注 1 ． 大简体 ； 2 ． 火筒 ； 3 ． 烟管束 ； 4 ． 输入对 流管束 ； 5 ． 输 出对 流 管束 ； 6 ． 导流板 导 流 板 的设 置 ， 合 理 分 隔 加 热炉 加 热 和 冷却 受 热面之 间的流动 区域 ， 中间载热介质在吸收简体下 9 9 大然气上业 Z O O 9 牛 l Z 月 方火 筒 和烟 管束 内的热 量 后 ， 沿着 导 流板 的方 向形 成均匀顺畅有组织的向上流动 ， 然后将热量传递给 上方的对流管束 ， 加热低温天然气 。中间载热介质 放热后 ， 沿导流板 另一侧 向下流 动 ， 形 成循 环 均匀 的 流场 。在火 筒 和对 流 管束 之 间 加装 弧 形 导 流板 ， 导 流板挡 住 了火 筒 与输 入 对流 管束 之 问 的通 道 ， 使 火 筒周围的载热介质向烟管束上方流动， 与烟管束周 围的载热介质一起向上依次流经对流管束各流程放 热后， 向下回流到火筒周围， 在大筒体内形成了整体 大循环流场 图 6 。弧形导流板与热 流场的流线更 贴 切， 能使大筒体内的流场更顺畅均匀 。 传热效果更好。 图 6 单侧弧形导流板时的筒 内热流场分布 图 实际应 用中 ， 亦 可布 置 双侧 导流 板 图 7 ， 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 和烟管束附近， 从 而在大筒体内形成了更有效的双 循 环流场 。 圈 7双侧导流板时的筒内热流场分布图 板 ， 促使靠近壁面的热边界层变薄， 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， 提高传热效率 。就天然气加热炉的特殊 传热结构和载热介质特性而言， 在大筒体内加装导 流板 是 一 种有 效 的强 化 传 热 手 段， 效 率 可提 高 3 [ 。 4 结 论 1 天然气加热炉在研究应用微正压燃烧技术、 螺旋管槽对流管束 、 三维内肋烟管强化传热技术 、 热 管传热技术、 相变传热技术等方面取得了较大进步。 2 旋 转加热和 冷却受 热面 的布 置结构 优 化 了加 热 炉的整 体传 热 效果 ， 而无 需 额 外投 资 。研 究表 明 最佳 旋转 角度 为 2 O 。 。这 种 旋转 型 圆筒式 天 然气 加 热 炉值得 推广应用 。 3 在受 热面之 问设置 导流板 能优 化天 然气 加热 炉的整体传热结构 ， 使大简体 内形成有效顺畅的流 场 ， 是一种简单而有效的改 良结构 ， 尤其对于乙二醇 这种黏性 大 的中间载热介 质 ， 能够促 进 对流 换热 ， 提 高传热效 率 ， 降低 能 耗 。导 流 板 的位 置 和形 状 等 结 构参数可 根据使用 条件和 工艺要求 进行优选 。 参 考 文 献 [ 1 ]袁斌 ， 羊东明 ， 王颖 ， 等． 燃气发电机组 的供气工艺 [ J ] ． 油 气 田地面工程 ， 2 0 0 1 ， 2 O 2 3 0 3 2 ． E 2 ]李清方． 三维内肋 管在水套 炉上 的应用[ J ] ． 石油规划设 计 ， 2 0 0 4， 1 5 6 3 8 4 0 ． [ 3 ]张连 明， 王海 ， 陈普信 ， 等． 热管式常压水套加热炉研究与 应用[ 刀． 油气 田地面工程 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 2 2 4 2 5 ． [ 4 ]牛春庆 ， 别如山 ， 朱利 民． 相变换 热技术在水套加热 炉节 能改造上的应用 [ J ] ． 节能技术， 2 0 0 3 ， 2 1 5 3 2 3 3 ． [ 5 ]李清方 ， 张国忠 ， 张建 ， 等． 新型高 效水套 炉的 开发研究 [ J ] ． 石油规划设计， 2 0 0 6 ， 1 7 5 4 2 4 5 ． [ 6 ]GA RY H P A L ME R， P AUL A WE ND L AN D， 张华 岩． 油 气 田水套加热炉 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 2 ， 2 2 1 8 O 一 8 4 ． [ 7 ]郭韵 ， 曹伟武 ， 严平 ， 等． 天然气加热炉的可视化实验研究 [ J ] ． 上海理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 4 3 2 7 3 3 1 ． [ 8 ]郭韵 ， 曹伟武 ， 严平 ， 等． 天然气加热炉结构与传热特性研 究r J ] ． 上海理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 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