高原油田加熱爐的數(shù)值模擬研究

李春保 王雄 蘭海濤，馬金旭，劉新宇

(中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 736202) (荊州市明德科技有限公司，湖北 荊州 434000) (中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 736202)

高原油田加熱爐的數(shù)值模擬研究

李春保 王雄 蘭海濤，馬金旭，劉新宇

(中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 736202) (荊州市明德科技有限公司，湖北 荊州 434000) (中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 736202)

高原地區(qū)空氣稀薄，對(duì)油田使用的燃?xì)饧訜釥t燃燒傳熱造成很大影響。通過(guò)建立典型燃?xì)饧訜釥t燃燒傳熱模型，對(duì)不同海拔高度加熱爐燃燒傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究海拔對(duì)加熱爐性能的影響。同時(shí)提出多種高海拔高度條件下加熱爐燃燒調(diào)節(jié)方案，并進(jìn)行了加熱爐燃燒傳熱模擬研究。計(jì)算出不同海拔高度下加熱爐運(yùn)行參數(shù)變化趨勢(shì)，制定出不同調(diào)節(jié)方法，對(duì)于不同的生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的加熱爐運(yùn)行模式，解決了高原油田燃?xì)饧訜釥t科學(xué)調(diào)度問(wèn)題，為高原油田加熱爐的優(yōu)化運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)。

燃?xì)饧訜釥t；高原油田；數(shù)值模擬

相比于零海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)的環(huán)境壓力和氣溫都有明顯變化，進(jìn)而改變參與加熱爐內(nèi)流動(dòng)和反應(yīng)傳熱過(guò)程的工質(zhì)物性，從而影響反應(yīng)傳熱過(guò)程。以油田典型的燃?xì)饧訜釥t為研究對(duì)象，針對(duì)不同海拔高度對(duì)油田加熱爐效率及爐內(nèi)反應(yīng)傳熱過(guò)程的影響，根據(jù)加熱爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了相應(yīng)的燃燒反應(yīng)和傳熱模型，對(duì)不同海拔高度條件下的反應(yīng)傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了不同海拔高度下加熱爐性能優(yōu)化調(diào)整方案。

1 模型的建立

燃?xì)饧訜釥t爐內(nèi)反應(yīng)傳熱過(guò)程如圖1所示。燃料天然氣和空氣以一定速度進(jìn)入火管進(jìn)行燃燒，天然氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為煙氣熱能。燃燒過(guò)程中，火焰通過(guò)輻射傳熱給火管壁面，同時(shí)煙氣通過(guò)對(duì)流換熱傳熱給火管壁面，之后煙氣流出火管，流出的煙氣形成排煙損失。熱量在火管壁面通過(guò)熱傳導(dǎo)從火管內(nèi)壁面?zhèn)鞯酵獗诿??；鸸芎吞坠軆?nèi)的水之間進(jìn)行自然對(duì)流換熱將熱量傳給水。水通過(guò)自然對(duì)流換熱傳熱給盤管，熱量在盤管壁面通過(guò)熱傳導(dǎo)由盤管外壁面?zhèn)鞯絻?nèi)壁面。在盤管內(nèi)，熱量通過(guò)對(duì)流換熱由壁面?zhèn)鳠峤o被加熱介質(zhì)(油、水)。低溫被加熱介質(zhì)由入口進(jìn)入盤管，在管內(nèi)吸收熱量變?yōu)楦邷亟橘|(zhì)由出口流出，完成整體加熱過(guò)程。此外，套管中的水將熱量傳給套管，熱量在套管壁面通過(guò)熱傳導(dǎo)由套管內(nèi)壁面?zhèn)鞯酵獗诿妗Ｔ谔坠芡?，環(huán)境空氣和套管進(jìn)行自然對(duì)流換熱，這部分熱量形成散熱損失。

2 計(jì)算條件

以HJ2500-YS/2.5-Q型套管燃?xì)饧訜釥t設(shè)計(jì)參數(shù)為零海拔時(shí)運(yùn)行條件，假設(shè)燃料氣為純甲烷，加熱爐完全燃燒，被加熱工質(zhì)為含油30%的油水混合物，計(jì)算燃?xì)饧訜釥t在不同海拔高度下運(yùn)行數(shù)據(jù)。計(jì)算中所需的主要工況參數(shù)列于表1中，相關(guān)物性參數(shù)取自石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[4, 5]。

表1 主要模擬參數(shù)

在計(jì)算不同海拔工況時(shí)，燃料氣進(jìn)氣密度、黏度和水的潛熱按不同海拔進(jìn)行調(diào)整。海拔升高，氣壓降低，氣體密度降低，風(fēng)速增大。風(fēng)速的變化會(huì)使得燃燒器和風(fēng)機(jī)性能偏離設(shè)計(jì)工況，從而產(chǎn)生額外能耗。因此設(shè)計(jì)了2種高海拔下的工況調(diào)節(jié)方案。

2.1維持燃燒器性能穩(wěn)定

為了維持燃燒器的性能，不同海拔高度應(yīng)調(diào)整燃料氣流量，使燃料氣工況流量與1個(gè)大氣壓時(shí)相同，進(jìn)入加熱爐的燃料氣和空氣體積之和在海拔高度變化時(shí)保持穩(wěn)定。

由理想氣體方程推導(dǎo)出燃料氣工況流量計(jì)算公式：

(1)

式中：V1為當(dāng)前燃料氣工況流量，m3/h；V1atm為0海拔時(shí)燃料氣流量，m3/h；p為當(dāng)前海拔下大氣壓力，kPa；p1atm為0海拔時(shí)大氣壓力，kPa。

2.2維持風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定

為了維持風(fēng)機(jī)性能，不同海拔高度應(yīng)調(diào)整進(jìn)氣量，使風(fēng)機(jī)總壓頭與1個(gè)大氣壓時(shí)相同，進(jìn)氣量決定燃料氣流量。伯努利方程推導(dǎo)出進(jìn)氣氣速：

(2)

(3)

式中：u2為當(dāng)前燃料氣工況氣速，m/h；u1atm為0海拔時(shí)燃料氣工況氣速，m/h；V2為當(dāng)前燃料氣工況流量，m3/h；V1atm為0海拔時(shí)燃料氣流量，m3/h。

3 結(jié)果與分析

3.1加熱爐設(shè)計(jì)條件下的計(jì)算

圖2為設(shè)計(jì)工況下熱效率和熱損失率隨海拔高度的變化。由圖2(a)可見，隨海拔高度升高，加熱爐的熱效率是單調(diào)降低的。而總體熱損失由散熱損失和排煙損失組成，由圖2(b)可見，這2種熱損失趨勢(shì)是不同的。散熱損失是單調(diào)遞增的，而排煙損失在海拔0～3000m是單調(diào)增加，在3000m以上已趨于平緩，甚至有降低的趨勢(shì)。排煙損失一直明顯高于散熱損失。

圖2 設(shè)計(jì)工況下加熱爐計(jì)算結(jié)果

3.2維持燃燒器性能穩(wěn)定時(shí)的計(jì)算

圖3為維持燃燒器性能穩(wěn)定時(shí)熱效率和熱損失率隨海拔高度的變化。由圖3(a)可見，與設(shè)計(jì)工況不同，基于維持燃燒器性能，隨海拔高度升高，加熱爐的熱效率是單調(diào)上升的，這說(shuō)明總體熱損失率在單調(diào)降低。由圖3(b)可見，散熱損失隨海拔單調(diào)遞增的，而排煙損失則隨海拔單調(diào)降低。在3000m海拔以下，排煙損失均大于散熱損失，而在3000m海拔以上，散熱損失已超過(guò)排煙損失，成為主要熱損失。顯然排煙損失隨海拔降低是熱效率隨海拔升高的主要影響因素。

圖3 維持燃燒器性能穩(wěn)定時(shí)加熱爐計(jì)算結(jié)果

3.3維持風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定時(shí)的計(jì)算

圖4為維持風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定時(shí)熱效率和熱損失率隨海拔高度的變化。由圖4(a)可見，基于維持風(fēng)機(jī)性能，加熱爐的熱效率先是在海拔1000m時(shí)微微降低，繼而隨海拔單調(diào)上升，這說(shuō)明總體熱損失率先(0～1000m時(shí))升高后單調(diào)降低。由圖4(b)可見，散熱損失隨海拔單調(diào)遞增的，排煙損失隨海拔單調(diào)降低，顯然在海拔1000m時(shí)，散熱損失的增加要大于排煙損失的降低；而在海拔1000m以上散熱損失的增加均小于排煙損失的降低。圖中顯示排煙損失均大于散熱損失，但延續(xù)這一趨勢(shì)，在海拔4000m以上，排煙損失很可能降到散熱損失以下。很顯然，這里排煙損失隨海拔降低也是海拔1000m以上熱效率隨海拔升高的主要影響因素。

圖4 維持風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定時(shí)加熱爐計(jì)算結(jié)果

圖5 3種條件下熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比

上述結(jié)果表明，不管是基于維持燃燒器性能進(jìn)行調(diào)節(jié)還是基于維持風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，海拔升高時(shí)，熱效率相對(duì)設(shè)計(jì)工況均能得到改善，甚至提高。這2種調(diào)節(jié)方式的一個(gè)共同點(diǎn)是均降低了燃料進(jìn)料量。圖5對(duì)比了上述設(shè)計(jì)工況和2種調(diào)節(jié)方案下，加熱爐熱負(fù)荷隨海拔高度的變化?？梢?海拔以上，設(shè)計(jì)工況的熱負(fù)荷>維持風(fēng)機(jī)性能的熱負(fù)荷>維持燃燒器性能的熱負(fù)荷。設(shè)計(jì)條件下，熱負(fù)荷基本保持不變，而在2種調(diào)節(jié)方案下，熱負(fù)荷均隨海拔上升而降低，這是因?yàn)殡S海拔升高，2種方案的燃料進(jìn)料量均隨海拔降低所致。而熱負(fù)荷的降低會(huì)使得原油的處理量降低，從而達(dá)不到預(yù)期的原油加熱要求。因此海拔升高，在進(jìn)行工況調(diào)節(jié)時(shí)，除關(guān)注加熱爐總體熱效率外，還應(yīng)考慮對(duì)熱負(fù)荷的影響。在滿足熱負(fù)荷要求的前提下，對(duì)加熱爐的操作工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的熱效率。

4 結(jié)論

1)在加熱爐設(shè)計(jì)工況下，加熱爐熱效率隨海拔單調(diào)降低，散熱損失隨海拔單調(diào)遞增，排煙損失隨海拔先升后降。

2)基于維持燃燒器性能進(jìn)行調(diào)節(jié)后，加熱爐熱效率隨海拔單調(diào)升高，散熱損失隨海拔單調(diào)遞增，排煙損失隨海拔單調(diào)降低。

3)基于維持風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)后，加熱爐熱效率隨海拔先降后升，散熱損失隨海拔單調(diào)遞增，排煙損失隨海拔單調(diào)降低。

4)設(shè)計(jì)工況下，加熱爐熱負(fù)荷隨海拔基本不變；采用2種調(diào)節(jié)方案后，熱負(fù)荷隨海拔單調(diào)降低。

5)對(duì)加熱爐進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮調(diào)節(jié)方案對(duì)熱效率和熱負(fù)荷2個(gè)因素的影響。

[1]徐秀芬,白曉彤,王東,等.油田水套爐熱效率評(píng)價(jià)指標(biāo)限值方法研究[J]. 石油石化節(jié)能, 2016, 6(8): 1～5.

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

[3]石油化學(xué)工業(yè)部石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院.管式加熱爐工藝計(jì)算[M]. 北京：石油工業(yè)出版社, 1976.

[4]國(guó)家能源局.石油工業(yè)用加熱爐熱工測(cè)定[M]. 北京：石油工業(yè)出版社, 2016.

[5]何潮洪,馮霄.化工原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[編輯] 帥群

TE963

A

1673-1409(2017)19-0101-04

2017-03-10

李春保(1975-)，男，工程師，現(xiàn)從事節(jié)能工藝研究工作，lcbqh@petrochina.com.cn。

[引著格式]李春保,王雄,蘭海濤，等.高原油田加熱爐的數(shù)值模擬研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(19):101～104.