旋轉渦流加熱爐節能性能評價

孔慶偉 韓相忠（.西安恒旭科技發展有限公司；.西安建筑科技大學）

旋轉渦流加熱爐節能性能評價

孔慶偉1韓相忠2（1.西安恒旭科技發展有限公司；2.西安建筑科技大學）

加熱爐是油氣田生產中廣泛使用的重要設備之一，也是油氣田生產中的主要能耗設備，在低油價面前如何降本增效是關鍵。通過優化加熱爐結構，規范配置與運行管理，設計出一種全新的旋轉渦流加熱爐。這種爐型是在水套爐基礎上，加以創新成為直接加熱爐，既保留了管式爐的優點，又不結焦、不結垢、不腐蝕，重量和體積僅是水套爐的二分之一，提高了加熱爐運行效率，對實現節能降耗有十分重要的意義。

加熱爐；旋轉渦流；結焦結垢；傳熱性能

油田水套爐屬于間接加熱爐，作為熱媒的水沸點低，一般為100℃上下，與被加熱原油之間的溫差為30～50℃，由于溫差小，相應的傳熱面積大。過去為了提高水浴溫度使用添加劑，為了提高傳熱系數采用超導液，真空相變換熱等技術。由于這些措施效果不顯著，加上操作和經濟等原因，使一些技術難以應用[1]。

旋轉渦流加熱爐是在水套爐基礎上，加以創新成為直接加熱爐，由于傳熱溫差大，傳熱系數高，升溫快，使平均表面負荷從水套爐的10～13 kW/m2增加到20～30 kW/m2，可大幅度減少爐管換熱面積。這種爐型既保留了管式爐的優點又不結焦、不結垢、不腐蝕，重量和體積僅是水套爐的二分之一。

1 旋轉渦流加熱爐結構

該爐由燃燒系統和換熱系統組成，燃燒系統由火筒和煙管構成單回程，燃氣在火筒內完全燃燒，再通過煙管返回，匯聚在一起由煙囪排出。換熱系統不設換熱盤管，而是一個由火筒和外套管組成的帶螺旋導流板的夾套，在夾套間進行高溫煙氣-原油換熱。如果加熱高壓油氣，在夾套內還要設加熱盤管，管內走原油，夾套腔內走強制循環的高溫熱媒。在燃燒火焰的最高溫度區設火筒外壁面溫度檢測熱電偶，電偶的熱端牢牢焊在火筒外壁上，通過夾層套外管壁引出，在線測定火筒高溫區的壁溫。夾層套外筒分固定和移動兩部分，用法蘭連接。移動外筒下設滾輪和軌道，可以輕易地脫下移開。當加熱易結垢、有腐蝕原油時，在內筒的外表面和旋流片的表面噴涂高溫特氟龍。采用高壓全自動燃氣燒嘴，燃燒含輕油多的濕燃氣，不會產生煙灰堵塞煙管（圖1、圖2）。

2 防結焦、結垢節能措施

1）加大流體流速，不出現流動死角。原油加熱溫度遠低于結焦溫度300～400℃，之所以結焦，不是因為加熱溫度過高，而是在局部管段流動過緩，傳熱效果差，管壁產生局部高溫，結焦速度大于沖焦速度，惡性循環造成的。加大流速是解決結焦問題的首選方法，然而加快流速是和爐管壓降相矛盾。旋轉渦流加熱爐的優點之一就是流動阻力非常小，實測數據為千帕級，這就為加大流速創造了條件。旋轉渦流加熱爐設計流速達3 m/s以上，在加熱區完全沒有流動死角，爐管結焦可能性很小，油中所含泥沙也很容易帶走。

2）螺旋導流板技術。在內火筒和外筒壁形成的夾套空間內設螺旋導流片，使原油在夾套之間沿導流片高速螺旋前進，受熱面受到液體的高速沖刷，與煙管多次碰撞，造成流體強烈擾動，形成旋轉渦流，即使在雷諾數很小的情況下，也形不成層流和層流附面層，原油就不容易結焦和結垢。

3）原油與高溫煙氣順流熱交換。就是用冷油沖刷火筒的熱表面，是降低火筒熱端溫度的有效手段，而火筒的最熱端是最容易結焦的地方。

圖1 旋轉渦流加熱爐結構

圖2 旋轉渦流加熱爐現場應用

4）特氟龍涂層的應用。經過試驗，特氟龍確有不黏、防垢防腐性能，在火筒的外表面和旋流片的表面噴涂高溫特氟龍，使爐子有不結垢、不結焦和防腐性能。

5）火筒金屬溫度檢測。在火筒的最高溫度區，預埋熱電偶，在線測定爐管壁溫，一旦超溫立刻關閉燒嘴。

6）熱煙氣循環技術。旋轉渦流加熱爐的燃燒系統單回程，將排煙一部分引入煙氣的高溫區，消除火筒進口段的局部高溫，避免原油在此處結焦。

7）外套管可以脫去。露出火筒、煙管和旋流片，便于除焦和清垢，同時也便于維修。

以上安全措施不是每個加熱爐都用，可根據情況取舍。

3 旋轉渦流加熱爐性能評價

3.1 傳熱性能

旋轉渦流加熱爐不但有很好的防結焦能力，而且具有良好的傳熱性能[2-4]，具體表現在：

1）直接加熱，傳熱溫差大，用較小的傳熱面積，獲得較大的傳熱量。

2）采用螺旋導流板代替折流板，旋轉渦流換熱代替折流換熱，換熱系數提高30%，換熱效果堪比纏繞換熱器。

3）螺旋導流板相當于火筒加了翅片，增加附助傳熱面，降低火筒壁溫度，提高了熱效率。

4）原油加熱爐傳熱的最大熱阻發生在原油和壁面之間，旋轉渦流換熱會使這一熱阻變得很小。

3.2 熱力計算

旋轉渦流加熱爐因為是一種全新的爐型，設計中應進行必要的熱力計算。爐內的傳熱過程，實際上是帶螺旋板夾層套與流體之間的傳熱問題，其計算方法[5]如下：

1）螺旋導流板夾層套的傳熱準數方程：

式中：Nu——努塞爾準數；

de——水力當量半徑，m；

α——夾套側給熱系數，W/m2·℃；

k——流體導熱系數，W/m·℃；

Pr——普蘭特準數，（Pr=2.8～8.5）；

Dn——迪恩準數，（Dn=720～5050）。

2）螺旋導流板夾套傳熱量的計算：

式中：Q——傳熱量，kW；

tf1——容器內介質溫度，℃；

tf2——夾套內介質溫度，℃；

K——傳熱系數；

F——傳熱面積，容器的外光表面積，m2；

3）螺旋導流板夾層套的流體阻力準數方程：

適用范圍：Pr=3～8.5，Dn=660～4800。

式中： f——摩察系數。

用上述方程式計算結果與制造出的設備測試結果有很好的吻合。夾層套內的導流板對提高換熱效率有很大貢獻，其中雷諾數比直管和套管都大，甚至超過螺旋盤管。流道彎曲半徑越小，雷諾數越大，迪恩數越大，給熱系數就越大。

4 應用效果

1）原型機做好以后，經測試顯現出很好的熱工性能：升溫快而降溫慢，冷爐升溫40 min，熱爐20 min，油溫從50℃降到40℃時間3 min，加熱溫度范圍50～200℃。

2） 旋轉渦流加熱爐功率可從 30 kW做到300 kW，熱負荷調節比±30%

3）傳熱效率高，大量節約鋼材。以350 kW快速爐為例，耗鋼量為1.4 t，相同功率的水套爐耗鋼量4.87 t。

4）使用6個月脫去外套管觀察，火筒表面未見結焦、結垢和腐蝕現象。

5） 表面熱電偶在線測得火筒最高壁溫45～50℃，遠低于原油結焦溫度（400℃）、火筒鋼材的允許使用溫度和特氟龍使用溫度（260℃）。

6） 以光面為計算基準，允許表面負荷達30 kW/m2，水套爐為11～13 kW/m2。傳熱系數為0.44 kW/m2·℃，而水套爐的傳熱系數為0.14～0.23 kW/m2·℃。

7）旋轉渦流加熱爐熱效率主要取決于排煙溫度和表面散熱量，由于爐子體積小表面散熱量小；排煙溫度在高于煙氣露點溫度下應盡量降低，新爐型降低排煙溫度的辦法是增加換熱面積，也就是加熱爐適當加長，新爐型在額定負荷下熱效率為85%。

[1]鄧壽祿，王貴生.油田加熱爐[M].北京：中國石化出版社，2011：10-25.

[2]油田油氣集輸設計技術手冊編寫組.油田油氣集輸設計技術手冊（上冊）[M].北京：石油工業出版社，1994：60-72.

[3]化工部工業爐設計技術中心站.化學工業爐設計手冊[M].北京：化學工業出版社，1988：33-52.

[4]王秉銓.工業爐設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010：15-44.

[5]古大田，陳志.螺旋導流夾套的傳熱性能和流體阻力研究[J].石油化工設備，1990（1）：8-11.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.03.007

2016-11-29

（編輯 杜麗華）

孔慶偉，工程師，2006年畢業于西安航空學院（機械制造及其自動化專業），從事技術開發工作，E-mail：kongqingwei@hxgx.com，地址：陜西省西安市唐延路35號旺座現代城C座1304室，710065。