淺析天然氣聚介質加熱爐的熱力計算與分析

【摘要】本文主要通過對天然氣聚介質的加熱爐工作時的原理與爐體內部進行傳熱的過程作出分析，明確了對天然氣聚介質的加熱爐進行熱力計算的方法，并設計了數據計算的相關程序。在經過計算后，從爐體的設計給天然氣聚介質的加熱爐工作時熱效率產生影響的主要因素進行了簡單探討。

【關鍵詞】天然氣聚介質；加熱爐；熱力計算

0引言

對于天然氣聚介質的加熱爐而言，其主要應用范圍在接轉站、井口與計量站等部門，它作為使天然氣防凍升溫的一種設備，其作用是把天然氣的溫度進行加熱以滿足工藝需求，從而方便對天然氣進行粗加工、分離與運輸等處理。

1加熱爐的基本工作原理

一般而言，天然氣聚介質的加熱爐通常由火筒、殼體、加熱盤管、中間傳熱的介質等部分組成（如圖1）。在這些構成部件中，對于火筒來說，通常由煙管與火管構成，前者往往位于殼體的上方，而后者則處于殼體的另一側，兩者之間相互連通，而加熱盤管一般位于殼體上部的空間當中，其內部由中間傳熱的介質進行填充[1]。

當在天然氣聚介質的加熱爐開展加熱工作時，首先需要在位于爐體下方的火管中對燃料進行燃燒，之后再由煙管與火管上的壁面將熱量向中間傳熱的介質進行傳遞，然后在對流動于盤管內部需要被加熱的天然氣進行加熱。需要注意的是，由于加熱過程中不同介質的溫度存在差異，所以中間傳熱所使用的介質可以選擇蒸汽、乙二醇的水溶液或水等，但一般情況下大都選擇通過常壓水浴的方式進行傳熱。

2加熱爐的熱力計算方法

作為在油氣行業中所使用的一種特殊加熱爐，由于天然氣聚介質的加熱爐在傳熱方法與爐型結構上和普通加熱爐存在著很大的不同，所以對其熱力進行計算的方式也和加熱爐的普通爐型存在著天壤之別[2]。

對于天然氣聚介質的加熱爐來說，對其熱力進行計算的目的在于按照此類加熱爐所給定的燃料資料、燃燒器的形式、熱功率、爐型結構與被加熱的介質參數和種類等因素，通過計算對煙氣體積、消耗燃料的數量、空氣體積、主要結構的尺寸、不同的傳熱面面積等數據進行確定。通常情況下，計算的主要內容包括火管傳熱的計算、煙管的相關計算、盤管計算等多個方面。

2.1火管傳熱的計算與分析

對火管的傳熱進行計算，其目的在于對火管出口處的煙氣溫度與火管的壁面吸熱量進行確定。由于在傳熱過程中火管主要依靠的是壁面與高溫度火焰之間產生的輻射進行換熱，所以在火管中對流換熱能力較弱、流速較慢的高溫煙氣在計算過程中可以不予考慮，其計算公式如下：

需要注意的是，在對火管熱力進行分析的過程中，往往需要先對火管出口處的煙氣溫度進行估算，之后再將計算出的輻射的傳熱數值與煙氣的放熱數值進行比較，從而檢驗所的數值時候可靠。

2.2煙管的相關計算

在天然氣聚介質的加熱爐中，煙管的作用主要在于對對流熱進行傳遞，但因為在煙氣之中三原子的氣體含量較大，能夠在輻射熱的換熱份額內占據一定數量，因此在計算時不能將其忽視[3]。一般情況下，在對煙管進行有關計算時，主要工作就是將位于管內煙氣一側的輻射換熱與對流換熱的系數計算出來。鑒于與管內換熱的實驗研究存在關聯的公式已經較為成熟，因此計算有關于煙管對流的換熱系數時可以采用下列公式：

2.3盤管計算

和上文中煙管的傳熱過程相比，盤管傳熱的過程相對來說較為簡單。由于作為傳熱介質的加熱盤管中存在被加熱天然氣的流動，而且一般被加熱的天然氣在盤管中的流動呈現為紊流或過渡流狀態，所以在被加熱的天然氣在盤管中的流動呈現為紊流或過渡流狀態時計算換熱系數的公式為：

3數據計算相關程序設計

除了上述計算過程外，對數據計算的有關程序進行設計同樣也是天然氣聚介質的加熱爐熱力計算過程中必不可少的一個步驟。由于Excel軟件自身就內置了能夠適應不同靜態工程的計算功能，所以在使用Excel對天然氣聚介質的加熱爐進行熱力計算時可以通過手寫計算書的方式設計計算程序。在程序計算表中，各行主要由名稱、序號、單位、符號、公式、結果或數據來源構成，其中有關計算的公式和結果可以通過直接輸入進行錄入和計算。有關計算可參考以下圖2

4計算結果

在通過上述計算公式與有關數據計算程序進行計算后，需要對各項結果進行嚴格核查，最后通過計算所得出的與盤管有關的數據和煙管與火管放熱的總量與設計的負荷分別進行比較，進而對整套系統中換熱量數值是否正常進行核查與校對。

5影響加熱爐運行的主要因素

就上述計算而言，對天然氣聚介質的加熱爐工作狀況產生影響的因素主要包括負荷率、空氣系數、介質的平均溫度與煙管的管徑等多個方面。

5.1空氣系數

為了保證燃料能夠得到充分的燃燒，按照不同燃料自身的特性就必須確保過量的空氣系數能夠達到一定數值。由于空氣系數的過量數值會對加熱爐中火管的出口溫度與排煙的溫度造成不同程度的影響，所以在實際操作時必須要對其進行嚴格的控制，以保證加熱工作的正常進行。

5.2煙管內徑

對煙管的內徑來說，它所影響的不僅僅是整套加熱爐中傳熱的特性，而且還會在很大程度上直接對整體加熱爐中金屬消耗的數量產生影響，直接關系到加熱爐整體的經濟性。因此，對煙管的內徑進行合理設計不僅可以有效提高熱傳導的效率，而且還能夠提升系統的經濟性能，為企業減少生產成本。

5.3加熱爐內的負荷率

除上述兩種因素外，加熱爐中負荷率的大小同樣會給其運行帶來影響。由于氣田的現場工作較為復雜和多變，為了能夠對其適應，加熱爐常常需要在工作狀況不斷變化的環境中運行。一般而言，隨著負荷率的增加，火管與煙管中所散發出的熱量也會出現上升，容易產生排煙損失與煙管燒蝕的變大，所以，天然氣聚介質的加熱爐只有將負荷控制在額定數值左右進行工作時，才能既保證熱效率的提升，又不對設備造成損壞。

6結語

綜上所述， 天然氣聚介質的加熱爐只有控制在額定負荷與空氣系數定量的狀態下運行時，才能為高效的熱效率提高保障，才能是其發揮出真正的工作能力。

【參考文獻】

[1] 張修冰，賈金嶺，王仲煥. 利用Excel進行鍋爐熱力計算[J]. 工業鍋爐. 2008（05）

[2] 張園，李穩宏，胡興民，李冬，廖昌建，李珍. 天然氣加熱爐腐蝕機理及其防護研究[J]. 腐蝕科學與防護技術. 2009（03）

[3] 郭韻，曹偉武，嚴平，于彩霞，錢尚源. 天然氣加熱爐結構及其傳熱特性分析[J]. 上海理工大學學報. 2009（03）