水套加熱爐熱力計算方法比較

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(1.勝利油田分公司 技術(shù)檢測中心， 山東 東營 257000；2.中國石油大學(xué)(華東) 儲建學(xué)院， 山東 青島 266580)

火筒式加熱爐是為滿足油田特殊需要而設(shè)計的一種專用加熱設(shè)備，分為直接加熱和間接加熱(水套式)兩種型式。水套加熱爐具有使用安全、不易結(jié)焦的優(yōu)點，成為井口、計量站、聯(lián)合站等場所應(yīng)用極為廣泛的油氣加熱設(shè)備[1]。

水套加熱爐主要由殼體、火筒、煙管、盤管及其他部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。在水套加熱爐工作過程中，火筒、煙管內(nèi)的熱煙氣加熱殼體內(nèi)的水，水再加熱盤管內(nèi)的油氣等介質(zhì)。我國各油田及長輸管道在用的水套加熱爐超過2萬臺[2]，燃料消耗在集輸系統(tǒng)能耗中占比最大[3]。

圖1 水套加熱爐結(jié)構(gòu)示圖

水套加熱爐在石化行業(yè)應(yīng)用廣泛，在未出臺新的熱力計算標(biāo)準(zhǔn)前，水套加熱爐的熱力計算仍沿用SY/T 0535—94《火筒式加熱爐熱力與阻力計算方法》[4]。此外，也可按照一般通用燃油、燃?xì)忮仩t的熱力計算方法進(jìn)行計算[5]，如蘇海鵬等[6]運用該方法設(shè)計了相變加熱爐。文中分別利用這兩種方法進(jìn)行水套加熱爐熱力計算校核，發(fā)現(xiàn)了一些參數(shù)變化規(guī)律不一致的現(xiàn)象，分析了計算結(jié)果不一致的原因，并給出了建議。

1 兩種熱力計算方法研究手段

采用兩種算法對同一臺水套加熱爐進(jìn)行熱力計算，以比較計算方法的合理性。無論采用何種算法，加熱爐的計算過程都很繁瑣，為此編寫了兩套水套加熱爐熱力計算程序，整個計算過程采用校核的方法進(jìn)行，程序執(zhí)行主體步驟為：①給定加熱爐尺寸，計算火筒、煙管、盤管的傳熱面積、流通面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)。②根據(jù)給定的被加熱介質(zhì)流量、進(jìn)出口溫度等計算熱流量Φ及水浴溫度。③假定排煙溫度，計算排煙等各項熱損失，得到加熱爐熱效率、燃料耗量等數(shù)據(jù)。④假定火筒出口煙氣溫度，根據(jù)燃料帶入熱量和火筒出口煙氣焓，計算火筒煙氣單位時間放熱量Φf。⑤計算火焰黑度、系統(tǒng)黑度、火焰溫度和爐壁溫度，進(jìn)而計算基于假設(shè)火筒出口煙氣溫度的單位時間傳熱量Φf1。⑥判斷Φf、Φf1兩者相對誤差是否在1%以內(nèi)，如果不滿足，返回④重新假設(shè)火筒出口煙氣溫度，再進(jìn)行④～⑥的計算，直至滿足要求。⑦由加熱爐負(fù)荷、火筒單位時間放熱量計算煙管單位時間放熱量Φd，Φd=Φ-Φf。⑧基于排煙溫度、火筒出口煙氣溫度計算傳熱系數(shù)、傳熱溫差，進(jìn)而得到煙管單位時間傳熱量Φd1。⑨判斷Φd、Φd1兩者相對誤差是否在1%以內(nèi)，如果不滿足，返回③重新假設(shè)排煙溫度，再進(jìn)行③～⑨的計算，直至滿足要求。兩類熱力計算方法中一些參數(shù)的計算方法不太相同，編程過程中會對上述計算步驟有所調(diào)整。

選用加熱功率分別為200 kW、2 000 kW的水套加熱爐進(jìn)行兩類算法比較，與傳熱相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 水套加熱爐結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 兩種熱力計算方法結(jié)果比較

2.1 小過量空氣系數(shù)

在鍋爐的設(shè)計及運行中，過量空氣系數(shù)是影響熱效率最重要的參數(shù)[7-10]。水套加熱爐是規(guī)模較小的鍋爐，燃燒器相對簡單，為了規(guī)避不完全燃燒對計算結(jié)果的影響，先進(jìn)行了過量空氣系數(shù)為1.3時的計算，此時燃燒基本完全[11-12]。

采用兩種熱力計算方法得到的過量空氣系數(shù)為1.3時的加熱爐熱力計算結(jié)果見表2。表2中算法一指SY/T 0535—94中的算法，算法二指《燃油燃?xì)忮仩t》[5]中的算法。

表2 過量空氣系數(shù)為1.3時水套加熱爐熱力計算結(jié)果

從表2中所列的計算結(jié)果來看，同樣熱負(fù)荷(加熱功率)下，熱效率、排煙溫度及排煙熱損失相差較小，兩種算法差異不大，但是火筒出口溫度及熱流量差別較大。

2.2 大過量空氣系數(shù)

通過增大過量空氣系數(shù)，對比兩種算法中加熱爐關(guān)鍵參數(shù)，如熱效率、排煙熱損失，火筒出口煙氣溫度及排煙溫度的變化規(guī)律，見圖2。

圖2 過量空氣系數(shù)對兩種算法加熱爐參數(shù)計算結(jié)果影響

由圖2看出，兩種算法得到的加熱爐熱效率、排煙熱損失變化規(guī)律是一致的，而火筒出口煙氣溫度、排煙溫度的變化規(guī)律不一致。對于算法一，當(dāng)過量空氣系數(shù)由1.3增至1.8時，2 000 kW加熱爐的火筒出口煙氣溫度從895 ℃降至837 ℃，排煙溫度變化僅3 ℃；對于算法二，同樣情況下，火筒出口煙氣溫度僅變化3.2 ℃，排煙溫度則從208 ℃增至223 ℃。200 kW加熱爐關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律相似，表明加熱爐的熱負(fù)荷對計算結(jié)果沒有大的影響。

綜上所述，隨著過量空氣系數(shù)的增加，兩種算法得到的排煙熱損失增加、熱效率降低，算法一得到的火筒出口煙氣溫度降低、排煙溫度變化很小，算法二得到的排煙溫度增加、火筒出口煙氣溫度變化很小。可以看出，排煙溫度、火筒出口煙氣溫度的變化規(guī)律明顯不同。

3 兩種算法熱力計算結(jié)果差異分析

3.1 熱流量計算

溫度只是傳熱結(jié)果的反映，兩種算法中熱流量的計算有所不同。算法一中火筒、煙管的熱流量計算式分別為式(1)、式(2)：

Φf=4.6×10-11Af(Thc4-Tw4)

(1)

Φd=0.9h1AsΔtm

(2)

式(1)～式(2)中，Af為火筒傳熱面積，As為煙管傳熱面積，m2；Thc為火筒出口煙氣溫度，Tw為火筒壁面溫度，K；h1為煙氣傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；Δtm為煙管傳熱溫差，℃。

算法二中火筒、煙管的熱流量則分別由式(3)、式(4)計算：

(3)

(4)

式(3)～式(4)中，ab為筒壁黑度，一般取為0.9；ah為火焰黑度；Thp為火焰平均溫度，K；r為污垢熱阻，(m2·℃)/kW。

算法二用火焰平均溫度計算火筒熱流量。隨著過量空氣系數(shù)增加，理論燃燒溫度快速降低，且火筒出口煙氣溫度幾乎不變(圖2c)，使火焰平均溫度降低。不同加熱功率下的火焰平均溫度及理論燃燒溫度變化規(guī)律見圖3。

圖3 火焰平均溫度及理論燃燒溫度變化規(guī)律

圖4 加熱爐火筒熱流量變化規(guī)律

相比較而言，式(1)給出的熱流量僅與火筒出口煙氣溫度相關(guān)，不考慮煙氣中輻射成分體積分?jǐn)?shù)對傳熱的影響(即選用了恒定的輻射傳熱系數(shù)4.6×10-11)，也就不能直接體現(xiàn)過量空氣系數(shù)對傳熱的影響。在過量空氣系數(shù)較小時，選定的輻射傳熱系數(shù)與實際比較相符，使得在過量空氣系數(shù)為1.3時，兩種算法計算結(jié)果相差不大。但隨著過量空氣系數(shù)增加，輻射成分體積分?jǐn)?shù)降低，選用恒定輻射傳熱系數(shù)的做法越發(fā)不合適。

3.2 煙管熱流量與過量空氣系數(shù)關(guān)系

設(shè)過量空氣系數(shù)增加后，對流傳熱系數(shù)增為h2，則由式(2)可知，傳熱系數(shù)增加為原來的h2/h1倍。而由式(4)可知，傳熱系數(shù)增為原來的(1+h1r)/(1+h2r)(h2/h1)。因h2>h1，所以算法一的傳熱系數(shù)增加得更快。這就意味著，隨過量空氣系數(shù)增加，快速增加的傳熱系數(shù)彌補傳熱溫差降低后有剩余，導(dǎo)致煙管熱流量增加，間接導(dǎo)致火筒熱流量降低。對算法二，過量空氣系數(shù)增加，火筒熱流量減小幅度更大，煙管熱流量必須增加更多，以保持恒定的熱負(fù)荷。由于算法二的傳熱系數(shù)增加得慢，為了更多地增加煙管熱流量，傳熱溫差必須提高，從而導(dǎo)致算法二排煙溫度提高(圖2d)，這是算法二中熱效率隨過量空氣系數(shù)增加降低更快的原因。

3.3 原因分析

用火筒出口煙氣溫度計算熱流量，當(dāng)過量空氣系數(shù)小時，準(zhǔn)確度比較高。當(dāng)過量空氣系數(shù)增大時，表現(xiàn)出的火筒出口煙氣溫度降低的現(xiàn)象與文獻(xiàn)[13-14]中的規(guī)律不符。

算法一中的排煙溫度幾乎不受過量空氣系數(shù)影響，此規(guī)律與實驗測試不符(筆者對某臺加熱爐進(jìn)行過測試，過量空氣系數(shù)1.4、1.7、2.0對應(yīng)的排煙溫度分別是184.9 ℃、189.7 ℃、196.6 ℃)，算法二的結(jié)果則與實驗測試規(guī)律一致。

對于算法一，火筒熱流量計算式中反映不出火焰成分對傳熱的影響，表明該算法過于粗糙。算法一中，在任意過量空氣系數(shù)下，煙管熱流量計算式中的傳熱系數(shù)都取0.9h1顯然不合適，因為這意味著隨著傳熱系數(shù)增加，污垢熱阻同比減小，而實際上污垢熱阻不會減小。筆者認(rèn)為算法二是更好的選擇，但算法二比較繁瑣，需要計算火焰黑度、系統(tǒng)黑度及火焰平均溫度等參數(shù)，最好對算法二進(jìn)行一定的簡化，形成新的水套加熱爐熱力計算標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

在給定水套加熱爐結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，分別運用SY/T 0535—94和文獻(xiàn)[5]中提供的兩種熱力計算方法，理論研究了過量空氣系數(shù)對水套加熱爐熱工特性的影響。結(jié)果表明，①SY/T 0535—94中算法得到的規(guī)律是，隨著過量空氣系數(shù)的增加，排煙溫度幾乎不變，火筒出口煙氣溫度降低，熱效率降低。文獻(xiàn)[5]中算法得到的規(guī)律是，隨著過量空氣系數(shù)的增加，排煙溫度增加，火筒出口煙氣溫度基本不變，熱效率降低。兩種算法得到的排煙溫度、火筒出口煙溫變化規(guī)律相反，與實驗測試結(jié)果比對后發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[5]中算法得到的結(jié)果正確。②在過量空氣系數(shù)較大時，SY/T 0535—94中算法夸大了煙管傳熱能力，又沒有考慮煙氣輻射成分體積分?jǐn)?shù)對火筒傳熱的影響，因而導(dǎo)致計算結(jié)果與實際不符。應(yīng)采用文獻(xiàn)[5]計算方法進(jìn)行水套加熱爐的設(shè)計計算，但是過程比較復(fù)雜。

為簡化水套加熱爐的設(shè)計過程，應(yīng)結(jié)合文獻(xiàn)[5]計算方法，形成新的熱力計算標(biāo)準(zhǔn)。新的計算標(biāo)準(zhǔn)要考慮煙氣成分對火筒輻射傳熱的影響，即建立系統(tǒng)黑度與過量空氣系數(shù)間的關(guān)聯(lián)式。還要考慮灰垢熱阻對煙管對流傳熱的影響，即傳熱系數(shù)的計算式中應(yīng)含有灰垢熱阻項。

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