臥式燃油燃氣爐爐膽傳熱計算方法的比較研究

林 宏，趙鑫晨，姜少軍

(1.哈爾濱市節能監察中心，哈爾濱，150021;2.哈爾濱工業大學，哈爾濱，150001;3.黑龍江省綏芬河市特種設備檢驗研究所黑龍江綏芬河157300)

0 引言

原油加熱輸送是通過加熱提高稠油的流動溫度，以降低稠油粘度，從而減少管路摩阻損失的一種原油輸送方法［1］。

采用水的相變換熱原理研制出的真空相變加熱爐［2］，可很好地解決傳統加熱爐存在的問題［3］。實際應用表明，該產品在油氣集運加熱領城用于原油、井產物、含油污水、天然氣等加熱，具有安全、環保、節能、高效的優點，在石油行業具有很好的應用前景［4］。

真空相變加熱爐的熱力計算是很重要的，而這其中又以爐膽傳熱計算最為關鍵，爐膽傳熱計算的主要目的是確定爐膽出口煙溫。本文在對已有的臥式內燃燃油燃氣鍋爐爐膽的傳熱計算公式進行比較，提出適合加熱爐爐膽傳熱計算的方法和簡化算法。

1 已有的爐膽傳熱計算公式

方法一：蘇聯《鍋爐機組熱力計算標準方法》中爐膛出口煙溫的計算公式為［5］：

式中：Tll——理論燃燒溫度，K;δ0——黑體輻射常數，5.67 × 10-11kW/(m2.K4);F1——爐膛輻射受熱面積，m2;φpj——爐膛平均熱有效系數;α1——爐膛系統黑度;φ——保熱系數;Bj——計算燃燒消耗量 kg/s;Vcpj——燃燒產物平均熱容量，kJ/Nm3.K;M——經驗系數。

公式是建立在室燃爐傳熱模型基礎上，并將“相似理論”應用于爐內過程得到的?？紤]到鍋爐行業設計工作者對蘇聯標準比較熟悉，所以目前在燃油燃氣鍋爐爐膛的熱力計算中有很多廠家仍在使用此公式。式中系數M是爐膛出口煙溫確定的一個關鍵性系數。有的學者認為M沒有確切的物理意義，不適用于臥式內燃燃油燃氣鍋爐爐膛的熱力計算。事實上此公式是在大量模型和實驗數據的基礎上，通過聯立火焰與爐壁輻射換熱方程和爐膛熱平衡方程推導得出的，有著牢固的理論和實踐基礎;而且系數M正是充分考慮了爐膛結構、燃燒器布置形式、燃料組成等因素提出的爐膛熱力計算中的半經驗折算系數。

爐膽輻射傳熱有沿爐膽徑向均勻，軸向一維線性分布的特點，所以系數M的表達式采用線性函數關系式：

式中：Xd為火焰長度和爐膛長度的比值，對氣體燃料系數a為1.01;系數 b為0.49。

文中方法計算出來的爐膽出口煙溫較好的與實際出口煙溫相吻合。因此，以本公式的計算結果為標準，考察其他計算公式的準確性。

方法二：《關于鍋殼油氣鍋爐爐膽傳熱的理論分析與計算》中提出的計算公式［6］。

方法三：《燃油燃氣鍋爐》一書中的簡化計算公式［7］。

式中：Q為輻射換熱量，kJ/m3;C為輻射換熱系數，kW/(m2.K) ，推薦 C=11～15;Hf為有效輻射受熱面積，m2;Thy為爐膽內火焰的平均溫度，K;Tb為爐膽內表面壁溫，K;Bj為計算燃料消耗量，m3/s。

文中公式形式簡單，理論基礎依然是輻射傳熱的基本方程，參數少且易于求得。公式中比較關鍵的是火焰的平均溫度Thy和爐膽內表面壁溫度Tb的計算。

有些設計者［8］在實際計算時用以下公式計算爐膛吸熱。

式中：?11為爐膛出口煙溫 ℃;K為系數，柴油為38.5，重油為38.9;D 為鍋爐蒸發量，t/h;d為爐膽內徑，m;B為燃料消耗量，kg/h;Q為燃料收到基低位發熱量，kJ/kg;F為輻射受熱面積，m2。

方法五：盤管式燃油熱載體爐膛出口煙氣溫度的簡易計算公式

式中：F——受熱面積，m2;C——輻射換熱系數(kW/m2.K)，取值 2.5～3.8 之間。

此公式與式(4)實際為同一公式。

方法四：《臥式內燃三回程燃油爐爐膛出口煙溫計算公式探討》中提出的公式［9］：

式中：?11為爐膛出口煙氣溫度，℃;Hf為爐膛輻射受熱面積m2;B為燃油量;kg/h;

方法四和方法五只對燃油鍋爐適用。

2 爐膽傳熱計算結果

采用方法一對6種熱功率的加熱爐爐膽進行計算，計算結果見表1。

表1 采用方法一時爐膽出口煙溫的計算結果

表2 采用方法二時的熱量計算誤差

表3 采用方法三時系數C的計算結果

采用方法二，將方法一計算出的爐膛出口煙溫代入方法二中，分別計算出煙氣放熱量和受熱面吸熱量，并用以下公式校驗誤差。

計算結果見表2。

采用方法三計算爐膛出口煙溫時，如系數C按推薦的范圍取值，則計算結果與方法一相差很大。這證明資料中推薦的系數C的取值范圍并不適合本次設計的油田加熱爐。為使方法三更好的適合油田加熱爐爐膛出口煙溫的計算，將方法一計算出的爐膛出口煙溫代入方法三中，分別計算出系數C的數值，計算結果見表3。

將系數C和加熱爐熱功率和的關系繪成圖線，見圖1。

圖1 加熱爐熱功率與系數C的關系

采用方法三計算爐膛出口煙溫時，可從圖1中查取對應功率下系數C的推薦值，從而使計算結果接近方法一。應用方法三計算爐膛出口煙溫較為簡便，參數較少，不失為一種較好的爐膛出口煙溫計算方法。

3 各計算方法分析比較

方法一是最常用的爐膛出口煙溫計算方法，實踐證明，本方法計算出來的出口煙溫較好的與實際出口煙溫相吻合。

用方法二計算爐膛出口煙溫時，350 kW、1 250 kW和1 600 kW加熱爐的計算結果與方法一接近，但820 kW、2 800 kW、4 000 kW加熱爐的計算結果與方法一相差較大。計算誤差在20%左右且為負值，說明方法二計算出的爐膛出口煙溫低于方法一。

用方法三計算爐膛出口煙溫時，如采用文獻中推薦的C值，則計算誤差很大。這說明文獻中推薦的C值并不適合本文結構的油田加熱爐。應用方法三計算爐膛出口煙溫時，可從圖1中查取對應功率下的C值，從而使計算誤差很小。

臥式內燃燃油燃氣鍋爐的爐膽傳熱計算在選用公式時可依照具體情況選用前三個公式中的任何一個。這三個公式的理論基礎都是根據火焰和爐壁的輻射換熱方程及爐膛熱平衡方程式聯立后推導出來的，其基礎理論是相同的。而方法一計算較為復雜，方法二、方法三參數少且易于求得，運算起來更為方便。

推薦使用公式一，在這個公式中凡是影響輻射熱交換的因素均有確切的表述。系數M是充分考慮了爐膛結構、燃燒器布置形式、燃料組成等因素提出的爐膛熱力計算中的半經驗折算系數，已經過修正，適合燃油燃氣鍋爐的計算。因此，采用此公式計算出來的出口煙溫較好的與實際相符合，較為精確。

而方法三中的系數要依據不同的輻射熱交換情況來恰當的取值。但這個值的變動范圍很大，很難確切的選取，因此計算不太精確。但對本文結構的加熱爐，可按圖1確定C值，此時用方法三計算較為簡便，且計算結果也較為精確，是很好的一種方法。

4 結論

經對幾種爐膽傳熱計算方法的比較。建議采用蘇聯《鍋爐機組熱力計算標準方法》的計算公式進行爐膽傳熱計算;也可采用方法三(式4)進行爐膽傳熱計算，對本文結構的加熱爐，式中系數C可按圖1確定。

［1］ 雷西娟，王鴻膺.稠油降粘輸送方法［J］.油氣田地面工程.2002，21(5)：37-38.

［2］ Xiaoyin Cheng，Jintu Fan.Simulation of Heat and Moisture Transfer with Phase Change and Mobile Condensates in Fibrous Insulation.International Journal of Thermal Sciences.2004，43：665-676.

［3］ I.K.Gavrikov.Vertical Cylindrical Tube Furnaces.Chemical and Petroleum Engineering.2005，41(1-2)：58-60.

［4］ 楊洪升，席助新，毛但扦.相變換熱技術在油氣集輸加熱設備中的應用［J］.石油工程建設.2005.(6)：92-95.

［5］ 趙欽新，章燕謀.燃油燃氣鍋爐的結構和設計［J］.工業鍋爐.1997，(1)：14-25.

［6］ 鍋爐機組熱力計算標準方法［M］.機械工業出版社.1976.

［7］ 卜銀坤.關于鍋殼式油氣鍋爐爐膽傳熱的理論分析與計算［J］.工業鍋爐.2001，(5)：10-13.

［8］ 趙欽新，惠世恩.燃油燃氣鍋爐［M］.西安：西安交通大學出版社.2000：303-430.

［9］ 吳玉昆.內燃燃油(氣)爐爐膛熱力計算的看法.工業鍋爐.2000，(1)：22-24.

［10］ 谷企平.臥式內燃三回程燃油鍋爐爐膛出口煙溫計算公式探討［J］.工業鍋爐.1995，(1)：9-10.

［11］ 寇廣孝.盤管式燃油熱載體爐爐膛出口煙氣溫度的建議計算公式［J］.工業鍋爐.1998，(2)：13-14.