加熱爐的選型與工藝設(shè)計(jì)

劉紫微，劉鑫，尹林，邱宗君

（新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆烏魯木齊830026）

加熱爐的選型與工藝設(shè)計(jì)

劉紫微，劉鑫，尹林，邱宗君

（新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆烏魯木齊830026）

目前原油管道上輸油站內(nèi)對(duì)原油進(jìn)行加熱的方式有直接加熱和間接加熱兩種,直接加熱方式是用于加熱爐直接加熱原油。直接加熱為原油在爐內(nèi)直接加熱,方式雖然設(shè)備簡單，投資較低，但一旦斷流或偏流容易因爐管過熱而結(jié)焦。故此種加熱方式現(xiàn)在并不常用,易造成事故。為確保安全，應(yīng)設(shè)置防偏流、斷流、結(jié)焦的自控保護(hù)系統(tǒng)；另外應(yīng)在露點(diǎn)以上運(yùn)行，以避免對(duì)流管管壁造成低溫露點(diǎn)腐蝕。間接加熱方式是目前比較常用的，間接加熱爐通過加熱中間介質(zhì)來給原油換熱，根據(jù)中間介質(zhì)的不同，可以分為熱媒爐和分體式相變爐。主要介紹加熱爐的選型，效率規(guī)定、熱負(fù)荷計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)際說明分體式相變爐在輸油站場(chǎng)中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

加熱爐；選型；效率；熱負(fù)荷；站場(chǎng)設(shè)計(jì)

隨著原油的不斷開采，原油的密度、粘度和凝點(diǎn)都在不斷提高，為保證原油的流動(dòng)性，就需要原油在管輸過程中給其進(jìn)行加壓、升溫，以保證原油能夠到達(dá)指定的輸油站場(chǎng)或油庫。

加熱爐普遍應(yīng)用于石油化工行業(yè)，是常用的原油加熱設(shè)備，當(dāng)然若輸油站內(nèi)有蒸汽可以利用，也可直接采用換熱器給原油換熱，這種方案更加方便、快捷并節(jié)省投資。但換熱器需要借助已有的熱源，使用起來較為局限。

加熱爐常用的有管式加熱爐、導(dǎo)熱油爐（熱媒爐）、相變加熱爐和水套加熱爐。

1 加熱爐選型

1.1 管式加熱爐

早期管式加熱爐廣泛用于國內(nèi)各油田的油氣集輸、原油長輸管道工程項(xiàng)目上，目前這類國產(chǎn)設(shè)備從設(shè)計(jì)到制造已形成系列化、規(guī)格化，設(shè)備效率、安全可靠性均較高，現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好，但爐管易結(jié)焦，效率降低，壓降大，正逐步被替換。

1.2 熱媒爐

熱媒加熱爐由有機(jī)熱載體加熱爐、有機(jī)熱載體、循環(huán)泵、熱媒管網(wǎng)、用熱設(shè)備、膨脹罐、儲(chǔ)油罐、氮封系統(tǒng)、儀表和自控系統(tǒng)以及其它輔助設(shè)備組成。熱媒加熱爐主要是通過對(duì)載熱體導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，加熱到一定溫度的導(dǎo)熱油，送到換熱設(shè)備與被加熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換后回到加熱爐的間接加熱設(shè)備。循環(huán)泵應(yīng)采用風(fēng)冷式導(dǎo)熱油臥式專用離心泵，循環(huán)泵使熱載體在系統(tǒng)內(nèi)維持一定的流量。導(dǎo)熱油膨脹罐應(yīng)設(shè)置氮封，避免導(dǎo)熱油在膨脹罐中被氧化。氮封起到將導(dǎo)熱油與空氣隔絕的作用。

該加熱設(shè)備是近年來推廣使用的新型加熱裝置，具有熱效率高，安全可靠，自動(dòng)化程度高，設(shè)備使用壽命長，便于維護(hù)的特點(diǎn)。但系統(tǒng)較復(fù)雜，需要電動(dòng)泵、循環(huán)熱媒等，管理點(diǎn)多。此外，導(dǎo)熱油需要定期更換，運(yùn)行成本較高。常用于熱負(fù)荷要求較大的情況下。

1.3 分體式相變爐

分體式相變加熱爐是結(jié)合油田實(shí)際開發(fā)的新型加熱爐，其工作原理與水套加熱爐相近，其下部鍋殼內(nèi)的中間介質(zhì)水受熱蒸發(fā)產(chǎn)生一定壓力的飽和水蒸汽，水蒸汽由蒸汽接管進(jìn)入上部的管殼式換熱器，與管壁發(fā)生相變換熱。凝結(jié)水經(jīng)回水管返回鍋殼中，循環(huán)加熱，利用水的相變傳熱技術(shù)。結(jié)構(gòu)上，分體式相變爐下部為加熱爐，上部為換熱器。

分體式相變爐的結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 分體式相變爐結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Separable Phase-change Furnace Structure

分體式相變爐之所以目前被廣泛應(yīng)用，主要因?yàn)樗哂邪踩?、?jié)能、無動(dòng)力設(shè)備、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、自動(dòng)化程度和熱效率高、易于管理等特點(diǎn)。在工程實(shí)際中2 000～5 000 kW的相變爐應(yīng)用尤為廣泛。

2 效率規(guī)定

限于早期加熱爐和燃燒器的制造水平，以及后來長期運(yùn)行引起的老化，20世紀(jì)90年代左右油田和站場(chǎng)所使用的加熱爐大多數(shù)存在爐管腐蝕，壁厚減薄，爐子故障較多等安全問題。同時(shí)加熱爐配套的自動(dòng)化和安全儀表設(shè)施落后或缺失，有的設(shè)備部件廠家已停止生產(chǎn)，維修和更換部件采購困難，加熱爐運(yùn)行維護(hù)工作量大。除此之外，加熱爐還存在效率偏低，能耗較高，加熱爐排煙處過量空氣系數(shù)偏高，平均排煙溫度偏高等問題?？紤]到設(shè)備的使用年限、運(yùn)行安全性和節(jié)能的需要，目前很多加熱爐正逐漸被淘汰。

根據(jù)《石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級(jí)》（GB 24848-2010）第4.2條規(guī)定[1]，加熱爐能效等級(jí)為3級(jí)，其中1級(jí)能效最高。

該規(guī)范于2010-06-30發(fā)布，2010-12-01實(shí)施。其中第4.4條要求《石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級(jí)》GB 24848-2010實(shí)施之日起3年后，加熱爐能效限定值（即允許的加熱爐效率最低值）不應(yīng)低于表1的規(guī)定。

表1 加熱爐目標(biāo)能效限定值Table1 Target Minimum Allowable Values of Energy Efficiency for Heater

根據(jù)加熱爐目標(biāo)能效限定值，我們可以評(píng)定一個(gè)正在使用的加熱爐的是否符合規(guī)定的能效水平。同時(shí)也可以在加熱爐選用時(shí)，根據(jù)加熱爐能效等級(jí)表對(duì)加熱爐供應(yīng)商提出熱效率的要求，以滿足用戶需求。

3 加熱爐熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50253-2014第6.3.10條之規(guī)定[2]，加熱設(shè)備熱負(fù)荷應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Q—加熱設(shè)備熱負(fù)荷，W；

qm—進(jìn)入加熱設(shè)備的油品流量，kg/s；

C—加熱設(shè)備進(jìn)出口平均溫度下油品的比熱容，J/(kg·℃)；

t1—加熱設(shè)備出口油品溫度，℃；

t2—加熱設(shè)備進(jìn)口油品溫度，℃。

加熱爐除考慮給原油加熱外還可兼顧為站內(nèi)的采暖供熱。若考慮同時(shí)為采暖加熱需加上采暖所需的熱負(fù)荷。

4 分體式相變爐在輸油站場(chǎng)中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)[3]

4.1 加熱爐

分體式相變爐包括爐體、換熱器、煙囪、梯子平臺(tái)、儀表控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、附件接管和閥門等組成。為提高熱效率，可設(shè)煙氣余熱回收系統(tǒng)，通過利用煙氣的高溫余熱加熱助燃空氣[4]。加熱爐原油進(jìn)出口管道應(yīng)設(shè)置溫度及壓力檢測(cè)并可遠(yuǎn)傳至中控室。

在設(shè)計(jì)過程中，管道安裝要考慮熱補(bǔ)償。并需留有一定的操作空間供換熱器抽芯。此外，加熱爐為帶有明火的設(shè)備，在站內(nèi)平面布置時(shí)需考慮到風(fēng)向和風(fēng)頻的影響。主要考慮加熱爐在事故狀態(tài)下，可燃?xì)怏w有可能擴(kuò)散到加熱爐而引起火災(zāi)或爆炸[5]。

4.2 換熱器

換熱器應(yīng)安裝在加熱爐頂部，換熱器為管殼式換熱器。換熱器與爐體之間連通，進(jìn)行蒸汽和冷凝水的傳遞。頂部的換熱器采用框架式鋼結(jié)構(gòu)支撐，設(shè)計(jì)中并應(yīng)避免換熱器自身重量和運(yùn)行中的振動(dòng)載荷等作用到加熱爐本體上導(dǎo)致加熱爐本體損壞。若加熱爐同時(shí)為油品和采暖水換熱，可采用1臺(tái)加熱爐背2臺(tái)換熱器的設(shè)計(jì)。

4.3 鋼煙囪

鋼煙囪包括煙囪體、煙道、煙囪擋板、防雨帽、煙氣測(cè)溫測(cè)壓儀表、煙氣取樣裝置等組成。煙氣排放應(yīng)符合《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB9078的有關(guān)規(guī)定及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的有關(guān)規(guī)定。

4.4 燃燒器

燃燒器根據(jù)燃燒原料的不同可分為燃油、燃?xì)夂陀蜌鈨捎萌紵?。燃油部分包括點(diǎn)火裝置、火焰探測(cè)器、燃料油過濾器、燃料油泵、燃料油加熱器、電磁閥、燃料油壓力溫度指示儀表、流量計(jì)、撬內(nèi)燃料油管路及風(fēng)機(jī)等。燃?xì)獠糠职c(diǎn)火裝置、火焰探測(cè)器、過濾器、調(diào)壓閥、電磁閥、燃?xì)鈮毫囟戎甘緝x表、流量計(jì)、撬內(nèi)燃?xì)夤苈芳帮L(fēng)機(jī)等。燃燒器應(yīng)與分體式相變爐相匹配，采用全自動(dòng)一體化燃燒器，并具有點(diǎn)火前后自動(dòng)吹掃，電點(diǎn)火，熄火報(bào)警等功能。

此外，燃燒器的輸出功率應(yīng)具有可調(diào)節(jié)的功能，根據(jù)被加熱介質(zhì)出口的溫度與工況條件下需要的介質(zhì)溫度進(jìn)行比較，來調(diào)節(jié)燃燒器的輸出功率。燃料系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燃料油泵送（燃?xì)庹{(diào)壓）、過濾、加熱、調(diào)節(jié)、計(jì)量等功能。風(fēng)機(jī)為燃燒器提供助燃空氣，并在點(diǎn)爐時(shí)對(duì)爐膛進(jìn)行程序吹掃。

4.3 控制系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)過程中要考慮到多種非正常情況報(bào)警和安全保障措施。相變爐應(yīng)具備全自動(dòng)的運(yùn)行能力。具備自動(dòng)點(diǎn)火，熄火保護(hù)和火焰監(jiān)測(cè)、負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)功能、運(yùn)行參數(shù)超限報(bào)警、重要參數(shù)超限報(bào)警停爐功能，避免在非正常的運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生事故，并可實(shí)現(xiàn)一鍵起停爐操作。

5 結(jié)束語

目前分體式相變爐和熱媒爐的使用已經(jīng)越來越普遍。在設(shè)備選用時(shí)應(yīng)充分考慮到不同設(shè)備的適用場(chǎng)合和各自的特點(diǎn)。分體式相變爐和熱媒爐在選用時(shí)還應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境調(diào)節(jié)對(duì)設(shè)備的影響，如：海拔高度、沙塵、氣壓及氣溫等。此外，在設(shè)計(jì)中除需考慮上面章節(jié)介紹的大方向以外，在管道和設(shè)備安裝過程中還要充分考慮到操作和維修的便捷性，空間的利用率以及加熱爐的排污、排凝和分體式相變爐的補(bǔ)水等細(xì)節(jié)問題。以方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員的日常操作和設(shè)備的維檢修。

［1］GB 24848-2010石油工業(yè)用加熱爐能效限定值及能效等級(jí)[S]．

［2］GB50253-2014輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

［3］GB/T21435-2008相變加熱爐[S]．

［4］石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè)編委會(huì)．石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè):第4篇輸油管道工程設(shè)計(jì)[M]．東營：中國石油大學(xué)出版社，2010．

［5］GB50160-2008石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

聚合物表面材料制備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室落戶萬華

近日，聚合物表面材料制備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室獲得國家發(fā)展和改革委員會(huì)正式批復(fù)認(rèn)定，將由萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司和復(fù)旦大學(xué)、北京化工大學(xué)、中科院海洋研究所聯(lián)合共建。這是我國涂料、膠粘劑等表面材料領(lǐng)域唯一的國家工程實(shí)驗(yàn)室，也是煙臺(tái)市獲批的首家國家工程實(shí)驗(yàn)室。

作為國家創(chuàng)新企業(yè)百強(qiáng)工程試點(diǎn)企業(yè)，萬華化學(xué)規(guī)劃在2025年，成為全球表面材料產(chǎn)業(yè)的主要原料供應(yīng)商和技術(shù)服務(wù)商。而此次獲批籌建國家工程實(shí)驗(yàn)室是對(duì)萬華在表面材料研究、整合集聚創(chuàng)新資源、促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合等方面能力的充分認(rèn)可，也有利于萬華化學(xué)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新百強(qiáng)戰(zhàn)略目標(biāo)、創(chuàng)新能力提升、創(chuàng)新資源投入、創(chuàng)新機(jī)制發(fā)展，增強(qiáng)公司核心競爭力，為表面材料客戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品解決方案。

聚合物表面材料制備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室是國家級(jí)聚合物表面材料的關(guān)鍵原料(特種單體、助劑)、高性能樹脂、聚合物表面材料及應(yīng)用技術(shù)研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新的中心，聚合物表面材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)共性技術(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)及應(yīng)用推廣中心，是產(chǎn)學(xué)研用合作技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化戰(zhàn)略聯(lián)盟，也是聚合物表面材料領(lǐng)域高技術(shù)人才培養(yǎng)及輸出基地。

Type Selection and Process Design of Heating Furnace

LIU Zi-wei，LIU Xin，YIN Lin，QIU Zong-jun
（Xinjiang Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Xinjiang Urumchi 830026，China）

The ways to heat crude oil include direct heating and indirect heating for the crude oil pipeline station. Direct heating mode is used for heating crude oil directly which has the characteristics of simple equipment and saving investment.But oil is directly heated in the oven,the cutoff or bias flow can easily cause accidents of furnace tube overheating and coking.So,the direct heating mode is not commonly used.In order to ensure safety,control protection system should be set against the bias flow,block and coking.In addition,furnace should be run above the dew point to avoid the convection tube wall corrosion caused by low temperature dew point.The indirect heating mode is more commonly used at present.The indirect heating furnace heats crude oil by heating medium.According to different intermediate medium,the indirect heating furnace can be divided into HTM furnace and split phase transformation furnace.In this paper，how to select the heating furnace was mainly introduced as well as efficiency regulation and heat load calculation.Besides,design key points of split phase transformation furnace were discussed combined with practical construction examples in the oil station.

Heating furnace;Type selection;Efficiency;Heating load;Design of oil station

TE 68

A

1671-0460（2017）03-0553-03

2016-09-30

劉紫微（1989-），女，遼寧省撫順市人，助理工程師，2012畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：從事站場(chǎng)和油庫設(shè)計(jì)。E-mail：846397591@qq.com。