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    500kW相變加熱爐對(duì)比設(shè)計(jì)

    2014-12-30 09:11:26陶保林汪志福姜力何勇
    科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2014年31期
    關(guān)鍵詞:加熱爐對(duì)比設(shè)計(jì)

    陶保林+汪志福+姜力+何勇

    摘 要:相變加熱爐在油氣集輸工程中得到了廣泛的應(yīng)用,在降低能耗方面發(fā)揮了重要的作用,目前使用的相變加熱爐大體分為一體式及分體式,可以說(shuō)兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn),當(dāng)前還沒有文獻(xiàn)對(duì)滿足同等熱力要求的不同結(jié)構(gòu)型式的加熱爐進(jìn)行比較設(shè)計(jì),該文正是在這種背景下,針對(duì)某油田公司提供的加熱爐技術(shù)要求,對(duì)能夠滿足該技術(shù)中熱力要求的加熱爐進(jìn)行了兩種結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)及計(jì)算,并比較了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),為此種規(guī)格型式的相變加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

    關(guān)鍵詞:加熱爐 ?相變 ?設(shè)計(jì) ?對(duì)比

    中圖分類號(hào):TE974 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ?文章編號(hào):1674-098X(2014)11(a)-0058-03

    相變加熱爐是將燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給中間介質(zhì)水使其變?yōu)轱柡驼羝?,飽和蒸汽通過相變換熱將熱量傳遞給被加熱介質(zhì)而使其溫度升高的一種加熱設(shè)備,它廣泛應(yīng)用于油氣集輸系統(tǒng)中,將原油、天然氣及采出液加熱到工藝所要求的溫度,以便進(jìn)行輸送、沉降、分離、脫水和初加工[1]。有研究表明相對(duì)于傳統(tǒng)型式的水裕加熱爐而言,真空相變加熱爐具有效率較高,自動(dòng)化控制程度較高、處理量較大、結(jié)構(gòu)易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)[2]。該文正是在此背景下對(duì)某油田需要的加熱爐進(jìn)行了真空相變型式的設(shè)計(jì),并對(duì)此種規(guī)格的加熱爐設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)型式,以期為相變加熱爐在結(jié)構(gòu)的選擇上提供參考。

    1 設(shè)計(jì)條件

    1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

    相變爐工作壓力為MPa(A),爐體設(shè)計(jì)壓力為MPa(A)。

    加熱介質(zhì)為含水原油(含水40%)。

    凈化油量為570 t/d,進(jìn)爐最低溫度為25℃,出爐溫度為40℃被加熱含水原油工作壓力:MPa(A)。

    1.2 被加熱介質(zhì)物性

    該井區(qū)地面原油密度在0.856~0.865 g/cm3之間,平均密度為0.862固點(diǎn)在14.00℃~22.00℃之間,平均為19.08℃,平均氣油比為14 m3/m3。屬密度較低、粘度較低、凝固點(diǎn)較高的含蠟原油。

    2 傳熱計(jì)算

    由于該文的重點(diǎn)主要是比較同種規(guī)格加熱爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn),故本次設(shè)計(jì)中對(duì)兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐采用形同規(guī)格的火筒、煙管,其具體機(jī)構(gòu)型式在文章的后面有論述。該文論述的重點(diǎn)主要圍繞在加熱盤管部分。

    2.1 一體式相變加熱爐盤管熱力計(jì)算

    加熱盤管內(nèi)被加熱介質(zhì)的平均溫度按下式計(jì)算[3],計(jì)算結(jié)果為31℃。

    (1)

    式中為被加熱介質(zhì)的進(jìn)口溫度,25℃;

    為被加熱介質(zhì)的出口溫度,40℃。

    所選用的加熱盤管的規(guī)格為φ57×3,根據(jù)《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》中的設(shè)計(jì)方法及工藝條件,以盤管內(nèi)平均溫度作為加熱盤管內(nèi)被加熱介質(zhì)的定性溫度,可以確定在平均溫度下,原油密度ρ為862 kg/m3,原油的粘度μ為15.58MPa·s,原油導(dǎo)熱系數(shù)為0.134W/(m2·℃),原油普朗特?cái)?shù)Pr為241.84[3],加熱介質(zhì)在管內(nèi)的流速為3.18 m/s,雷諾數(shù)Re為8973,管內(nèi)壁面對(duì)被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)為788.9w/(m2·℃),管外蒸汽冷凝換熱系數(shù)[4]約為9000w/(m2·℃);管內(nèi)壁污垢熱阻ri為0.00035m2·℃/W,管外壁污垢熱阻ro為 0.00009m2·℃/W,加熱盤管內(nèi)的傳熱系數(shù)K為520W/(m2·℃)。

    由于相變爐工作壓力為0.3 MPa,查閱飽和水蒸氣表得到其飽和溫度為133.3℃,根據(jù)《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》中對(duì)數(shù)溫差公式計(jì)算得出對(duì)數(shù)平均溫差為102℃。

    由公式(2)計(jì)算得到每根盤管所需的對(duì)流受熱面積為4.72 m2。

    (2)

    式中為每根盤管的傳熱量,由于加熱中加熱介質(zhì)的流動(dòng)方式是在兩根對(duì)稱的盤管中平行流動(dòng),故取每根盤管的傳熱量為250 kW。

    所以兩根盤管的總的傳熱面積為9.44 m2。

    由公式(3)可得加熱盤管總長(zhǎng)度L為58.87 m,實(shí)際設(shè)計(jì)中取為60 m。

    (3)

    2.2 分體式相變加熱爐盤管熱力計(jì)算

    分體式相變加熱爐所采用的結(jié)構(gòu)型式如圖2所示,其結(jié)構(gòu)主要由下面的蒸發(fā)器和上面的浮頭換熱器組成,其中浮頭式換熱器內(nèi)換熱盤管的規(guī)格為φ45×3,每根換熱管的長(zhǎng)度為3.5 m2采用4管程,根據(jù)2.1節(jié)的計(jì)算方法可以得出浮頭式換熱器加熱盤管內(nèi)的傳熱系數(shù)K為200 w/(m2·kg),傳熱面積為29.4 m2。雷諾數(shù)Re為1305,管內(nèi)流速為0.605 m/s。

    由公式(4)可計(jì)算出加熱盤管的總根數(shù)N為68.6根,為了布管方便N取72。

    (4)

    公式中各值的意義及大小如上所述。

    故加熱盤管的總長(zhǎng)度為252 。

    3 流動(dòng)阻力計(jì)算

    由于相變加熱爐殼程內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)為蒸汽,故可以不考慮殼程內(nèi)的流動(dòng)阻力,只需分析管程內(nèi)的流動(dòng)阻力。

    3.1 一體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

    一體式相變加熱爐盤管的流動(dòng)阻力由兩部分組成,即沿程阻力和局部阻力[5]。

    3.1.1 沿程阻力計(jì)算

    光滑表面管內(nèi)的沿程阻力可按照達(dá)爾賽式[5](5)計(jì)算,計(jì)算得出為0.081 MPa。

    (5)

    當(dāng)Re=3000~10000時(shí),式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算:

    (6)

    公式(5)、公式(6)中各值的大小和意義如前所述。

    3.1.2 局部阻力

    由于工質(zhì)在蛇形管內(nèi)流動(dòng),流動(dòng)方向不斷發(fā)生變化,其局部阻力可由式計(jì)(7)計(jì)算,每根加熱盤管的流向改變次數(shù)n為9,經(jīng)過計(jì)算得出為0.0013 MPa。endprint

    (7)

    所以每根加熱盤管的總摩擦阻力為0.082 MPa。

    3.2 分體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

    管殼式熱交換器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)、出口連接管阻力等三部分[6],因而:

    (8)

    式中為管程總阻力,Pa;為沿程阻力,Pa;為回彎阻力,Pa;為進(jìn)、出口連接管阻力,Pa;

    (1)沿程阻力,可用下式(9)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.0028 MPa。

    (9)

    當(dāng)Re<2000時(shí),式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算。

    (10)

    公式(9)、公式(10)中各值的大小和意義如前所述。

    (2)回彎阻力用下式(11)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.0025 MPa。

    (11)

    式中為管程數(shù)4,其余各值的大小和意義如前所述。

    (3)進(jìn)出口連接管阻力的可用下式(12)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.00024 MPa。

    (12)

    式中各值的大小和意義如前所述。

    所以總摩擦阻力約為0.006 MPa。

    4 兩種結(jié)構(gòu)型式相變爐的結(jié)構(gòu)比較

    通過2.1節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW一體式相變加熱爐的樣本如圖1所示,此種結(jié)構(gòu)的爐體主體結(jié)構(gòu)筒體規(guī)格為φ1420×10,長(zhǎng)度為4000 mm;火筒規(guī)格為φ426×8,長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管,規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm,共20根;加熱盤管選用無(wú)縫鋼管,規(guī)格為φ57×5,總長(zhǎng)度為60000 mm,壓降約為0.082 MPa。整個(gè)加熱爐重量約為8000 kg。

    通過2.2節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW分體式相變加熱爐的蒸汽發(fā)生器的樣本結(jié)構(gòu)如圖2所示,此種結(jié)構(gòu)的相變爐的蒸汽發(fā)生器筒體截面規(guī)格為φ1120×10,長(zhǎng)度為3988 mm,火筒尺寸為φ426×8,長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管,規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm,共20根;總重量約為4300 kg。

    500 kW分體式相變加熱爐的加熱器為浮頭式換熱器,其筒體截面規(guī)格為φ820×10,長(zhǎng)度為4448 m,換熱管規(guī)格為φ45×3,每根長(zhǎng)度為3500 m,共72根。整個(gè)浮頭換熱器總重約為3500 kg。

    另外500 kW分體式相變加熱爐的扶梯平臺(tái)的重量約為4000 kg,煙囪重量約為500 kg,保溫重量約為800 kg。故設(shè)備總重量約為13100 kg,壓降約為0.006 MPa。

    通過上述的比較可以發(fā)現(xiàn),一體式結(jié)構(gòu)相變爐金屬耗量較分體式相變爐少很多,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,但是一體式相變爐加熱盤管中介質(zhì)的流速較分體式中快,流動(dòng)阻力比分體式大,不適合于某些對(duì)介質(zhì)流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合使用。分體式相變爐雖然體積龐大,其起加熱介質(zhì)作用的浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)較高,但是對(duì)于對(duì)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,分體式相變爐的綜合處理效果比一體式好。

    5 結(jié)語(yǔ)

    通過對(duì)額定功率為500 kW的相變加熱爐進(jìn)行一體式和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn),兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于介質(zhì)流動(dòng)壓降范圍可取較大值的場(chǎng)合推薦使用一體式相變加熱爐,因?yàn)榇朔N爐子較經(jīng)濟(jì),體積較小、且易于安裝、操作及維護(hù)。對(duì)于對(duì)介質(zhì)在管程中流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,推薦使用分體式相變加熱,因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)爐子加熱盤管的橫截面較大,介質(zhì)在管程的流速較小,從而壓降也比較小。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 蘇海鵬.新型相變加熱爐的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用,2010,29(12):93-97.

    [2] 呂靜,元玉蘭.多井式天然氣加熱爐熱力設(shè)計(jì)及其應(yīng)用問題探討[J].工業(yè)鍋爐,2010(5):1-4.

    [3] 《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》編寫組.油田油氣集輸手冊(cè)(下冊(cè))[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

    [4] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

    [5] 鄧壽祿,王貴生.油田加熱爐[M].北京:中國(guó)石化出版社,2011.

    [6] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].4版.江蘇:東南大學(xué)出版社,2009.endprint

    (7)

    所以每根加熱盤管的總摩擦阻力為0.082 MPa。

    3.2 分體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

    管殼式熱交換器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)、出口連接管阻力等三部分[6],因而:

    (8)

    式中為管程總阻力,Pa;為沿程阻力,Pa;為回彎阻力,Pa;為進(jìn)、出口連接管阻力,Pa;

    (1)沿程阻力,可用下式(9)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.0028 MPa。

    (9)

    當(dāng)Re<2000時(shí),式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算。

    (10)

    公式(9)、公式(10)中各值的大小和意義如前所述。

    (2)回彎阻力用下式(11)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.0025 MPa。

    (11)

    式中為管程數(shù)4,其余各值的大小和意義如前所述。

    (3)進(jìn)出口連接管阻力的可用下式(12)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.00024 MPa。

    (12)

    式中各值的大小和意義如前所述。

    所以總摩擦阻力約為0.006 MPa。

    4 兩種結(jié)構(gòu)型式相變爐的結(jié)構(gòu)比較

    通過2.1節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW一體式相變加熱爐的樣本如圖1所示,此種結(jié)構(gòu)的爐體主體結(jié)構(gòu)筒體規(guī)格為φ1420×10,長(zhǎng)度為4000 mm;火筒規(guī)格為φ426×8,長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管,規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm,共20根;加熱盤管選用無(wú)縫鋼管,規(guī)格為φ57×5,總長(zhǎng)度為60000 mm,壓降約為0.082 MPa。整個(gè)加熱爐重量約為8000 kg。

    通過2.2節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW分體式相變加熱爐的蒸汽發(fā)生器的樣本結(jié)構(gòu)如圖2所示,此種結(jié)構(gòu)的相變爐的蒸汽發(fā)生器筒體截面規(guī)格為φ1120×10,長(zhǎng)度為3988 mm,火筒尺寸為φ426×8,長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管,規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm,共20根;總重量約為4300 kg。

    500 kW分體式相變加熱爐的加熱器為浮頭式換熱器,其筒體截面規(guī)格為φ820×10,長(zhǎng)度為4448 m,換熱管規(guī)格為φ45×3,每根長(zhǎng)度為3500 m,共72根。整個(gè)浮頭換熱器總重約為3500 kg。

    另外500 kW分體式相變加熱爐的扶梯平臺(tái)的重量約為4000 kg,煙囪重量約為500 kg,保溫重量約為800 kg。故設(shè)備總重量約為13100 kg,壓降約為0.006 MPa。

    通過上述的比較可以發(fā)現(xiàn),一體式結(jié)構(gòu)相變爐金屬耗量較分體式相變爐少很多,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,但是一體式相變爐加熱盤管中介質(zhì)的流速較分體式中快,流動(dòng)阻力比分體式大,不適合于某些對(duì)介質(zhì)流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合使用。分體式相變爐雖然體積龐大,其起加熱介質(zhì)作用的浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)較高,但是對(duì)于對(duì)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,分體式相變爐的綜合處理效果比一體式好。

    5 結(jié)語(yǔ)

    通過對(duì)額定功率為500 kW的相變加熱爐進(jìn)行一體式和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn),兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于介質(zhì)流動(dòng)壓降范圍可取較大值的場(chǎng)合推薦使用一體式相變加熱爐,因?yàn)榇朔N爐子較經(jīng)濟(jì),體積較小、且易于安裝、操作及維護(hù)。對(duì)于對(duì)介質(zhì)在管程中流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,推薦使用分體式相變加熱,因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)爐子加熱盤管的橫截面較大,介質(zhì)在管程的流速較小,從而壓降也比較小。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 蘇海鵬.新型相變加熱爐的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用,2010,29(12):93-97.

    [2] 呂靜,元玉蘭.多井式天然氣加熱爐熱力設(shè)計(jì)及其應(yīng)用問題探討[J].工業(yè)鍋爐,2010(5):1-4.

    [3] 《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》編寫組.油田油氣集輸手冊(cè)(下冊(cè))[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

    [4] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

    [5] 鄧壽祿,王貴生.油田加熱爐[M].北京:中國(guó)石化出版社,2011.

    [6] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].4版.江蘇:東南大學(xué)出版社,2009.endprint

    (7)

    所以每根加熱盤管的總摩擦阻力為0.082 MPa。

    3.2 分體式相變加熱爐管程流動(dòng)阻力

    管殼式熱交換器管程阻力包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)、出口連接管阻力等三部分[6],因而:

    (8)

    式中為管程總阻力,Pa;為沿程阻力,Pa;為回彎阻力,Pa;為進(jìn)、出口連接管阻力,Pa;

    (1)沿程阻力,可用下式(9)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.0028 MPa。

    (9)

    當(dāng)Re<2000時(shí),式中延程阻力系數(shù)可由下式計(jì)算。

    (10)

    公式(9)、公式(10)中各值的大小和意義如前所述。

    (2)回彎阻力用下式(11)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.0025 MPa。

    (11)

    式中為管程數(shù)4,其余各值的大小和意義如前所述。

    (3)進(jìn)出口連接管阻力的可用下式(12)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.00024 MPa。

    (12)

    式中各值的大小和意義如前所述。

    所以總摩擦阻力約為0.006 MPa。

    4 兩種結(jié)構(gòu)型式相變爐的結(jié)構(gòu)比較

    通過2.1節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW一體式相變加熱爐的樣本如圖1所示,此種結(jié)構(gòu)的爐體主體結(jié)構(gòu)筒體規(guī)格為φ1420×10,長(zhǎng)度為4000 mm;火筒規(guī)格為φ426×8,長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管,規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm,共20根;加熱盤管選用無(wú)縫鋼管,規(guī)格為φ57×5,總長(zhǎng)度為60000 mm,壓降約為0.082 MPa。整個(gè)加熱爐重量約為8000 kg。

    通過2.2節(jié)中的計(jì)算可以得出500 kW分體式相變加熱爐的蒸汽發(fā)生器的樣本結(jié)構(gòu)如圖2所示,此種結(jié)構(gòu)的相變爐的蒸汽發(fā)生器筒體截面規(guī)格為φ1120×10,長(zhǎng)度為3988 mm,火筒尺寸為φ426×8,長(zhǎng)為3000 mm;煙管為螺紋煙管,規(guī)格為φ57×3;每根煙管長(zhǎng)為3000 mm,共20根;總重量約為4300 kg。

    500 kW分體式相變加熱爐的加熱器為浮頭式換熱器,其筒體截面規(guī)格為φ820×10,長(zhǎng)度為4448 m,換熱管規(guī)格為φ45×3,每根長(zhǎng)度為3500 m,共72根。整個(gè)浮頭換熱器總重約為3500 kg。

    另外500 kW分體式相變加熱爐的扶梯平臺(tái)的重量約為4000 kg,煙囪重量約為500 kg,保溫重量約為800 kg。故設(shè)備總重量約為13100 kg,壓降約為0.006 MPa。

    通過上述的比較可以發(fā)現(xiàn),一體式結(jié)構(gòu)相變爐金屬耗量較分體式相變爐少很多,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,但是一體式相變爐加熱盤管中介質(zhì)的流速較分體式中快,流動(dòng)阻力比分體式大,不適合于某些對(duì)介質(zhì)流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合使用。分體式相變爐雖然體積龐大,其起加熱介質(zhì)作用的浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、造價(jià)較高,但是對(duì)于對(duì)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,分體式相變爐的綜合處理效果比一體式好。

    5 結(jié)語(yǔ)

    通過對(duì)額定功率為500 kW的相變加熱爐進(jìn)行一體式和分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn),兩種結(jié)構(gòu)型式的加熱爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于介質(zhì)流動(dòng)壓降范圍可取較大值的場(chǎng)合推薦使用一體式相變加熱爐,因?yàn)榇朔N爐子較經(jīng)濟(jì),體積較小、且易于安裝、操作及維護(hù)。對(duì)于對(duì)介質(zhì)在管程中流動(dòng)壓降有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,推薦使用分體式相變加熱,因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)爐子加熱盤管的橫截面較大,介質(zhì)在管程的流速較小,從而壓降也比較小。

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