天然氣加熱技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

路天玥

天然氣加熱技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

路天玥

（西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065）

天然氣作為清潔能源之一，在工業(yè)、生活中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。為保證天然氣的安全穩(wěn)定運行，通過加熱來提升溫度已成為預(yù)防天然氣水合物生成的一大關(guān)鍵技術(shù)。針對天然氣加熱技術(shù)這一主要方向進(jìn)行了研究整理，對目前常用的加熱爐加熱、電加熱技術(shù)和先進(jìn)的催化式紅外加熱技術(shù)、多源熱泵系統(tǒng)以及石墨烯加熱技術(shù)進(jìn)行了綜述，并對其后期發(fā)展進(jìn)行了進(jìn)一步探討。

天然氣； 加熱技術(shù)； 可持續(xù)發(fā)展

天然氣作為當(dāng)前主要的清潔能源之一，現(xiàn)已在工業(yè)、生活中得到了廣泛應(yīng)用，在石油化工行業(yè)中，天然氣的開采技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展；但由于高壓天然氣流經(jīng)節(jié)流閥時，流道突變產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)會導(dǎo)致溫度較低，甚至在節(jié)流閥出口處形成冰堵現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重時會導(dǎo)致天然氣管道的堵塞、憋壓，因此預(yù)防天然氣水合物的生成對于天然氣的穩(wěn)定開采、安全運行都起到了很大的作用。

當(dāng)前，預(yù)防水合物生成的方法包括添加抑制劑以及升溫法、降壓法等破壞水合物的生成條件[2]。但添加抑制劑這一方法在實際操作中往往會因加劑量難以把握、加劑位置不準(zhǔn)確等問題致使操作難度大大提升，而對天然氣進(jìn)行加熱的升溫法操作便捷并且可以很好的提高加熱效果，因此天然氣加熱技術(shù)便得到了現(xiàn)場的廣泛使用。

近年來，隨著天然氣加熱技術(shù)的不斷發(fā)展，如何提升加熱效率、如何提升加熱溫度、如何利用可持續(xù)發(fā)展能源已成為了加熱技術(shù)的研究發(fā)展趨勢，本文也正是針對這一問題，對天然氣加熱技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)整理，并利用現(xiàn)有的加熱技術(shù)對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了一定的研究探討。

1 加熱技術(shù)現(xiàn)狀

針對天然氣的加熱有許多技術(shù)研究，目前國內(nèi)最廣泛的天然氣加熱技術(shù)應(yīng)用主要集中于水套/真空加熱爐以及電加熱技術(shù)，此類傳統(tǒng)加熱技術(shù)加熱溫度較高、加熱速度較快，因此在現(xiàn)場中得以廣泛應(yīng)用；而對于催化式紅外加熱、石墨烯等先進(jìn)加熱技術(shù)目前還應(yīng)用較少，此類技術(shù)的研究國外開始較早，目前國內(nèi)也進(jìn)行了大量的研究工作，在加熱效率、加熱溫度上都得到了進(jìn)一步的提高。

1.1 加熱爐加熱

水套/真空加熱爐的性能特點主要集中在燃燒技術(shù)及傳熱和換熱技術(shù)上。水套爐主要采用兩種形式燃燒系統(tǒng)，一種是全自動微正壓燃燒器，一種是自然通風(fēng)負(fù)壓燃燒系統(tǒng)[3]。隨著智能化以及自動化要求的提升，油田已開始采用配設(shè)全自動的燃燒器，這也使得加熱爐在自動燃燒技術(shù)上得到了提升與發(fā)展，實現(xiàn)了全自動燃燒功能；其次，當(dāng)前加熱爐中采用了螺紋煙管、波紋爐管傳熱技術(shù)，增強(qiáng)了加熱爐的換熱效果，又采用相變換熱原理，充分利用水蒸氣的汽化潛熱來進(jìn)行加熱，熱效率更是高于普通的加熱爐。同時，為了實現(xiàn)“節(jié)能減排”，加熱爐也利用多種余熱回收技術(shù)[4]來減少加熱爐燃料的消耗，真正為加熱爐進(jìn)一步實現(xiàn)高效應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

2021年，長慶油田第十一采油廠就已擁有真空相變加熱爐就占有30臺，占現(xiàn)場加熱爐總數(shù)量的9%；這些真空加熱爐的平均壽命已達(dá)到了7年以上，最長使用時間也超過了10年[5]。

1.2 電加熱技術(shù)

電加熱供熱技術(shù)是一種利用電能作為供熱源從而實現(xiàn)供熱的加熱技術(shù)，電加熱供熱產(chǎn)品主要分為電阻式電熱轉(zhuǎn)換和電磁式電熱轉(zhuǎn)換。電加熱技術(shù)本身就擁有很好的環(huán)保性和適應(yīng)性，可以將天然氣加熱至220 ℃[6]；通過電熱技術(shù)優(yōu)化，可以實現(xiàn)能源的合理綜合利用，同時也能為滿足原油生產(chǎn)儲運工作、提升技術(shù)創(chuàng)新升級水平創(chuàng)造良好的條件[7]。

當(dāng)前電熱鍋爐制造廠生產(chǎn)的電熱鍋爐大都是電阻式的，加熱爐中電熱元件的形狀應(yīng)用較為廣泛的是U形、高阻抗管形以及蛇形管，而采取電極式水介質(zhì)電阻作為電熱元件的設(shè)備還未能得到油氣田現(xiàn)場的實際應(yīng)用，因此電熱元件的構(gòu)造設(shè)計在后期發(fā)展中也是研究的一個重點；同時，現(xiàn)今也研發(fā)出了氣田井口智能電加熱裝置[8]，針對操作彈性較大的升溫系統(tǒng)，通過智能控制可以達(dá)到智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和裝置無人化職守的功能，這對于新氣田的開采更是實現(xiàn)了油田智能化的要求。

1.3 催化式紅外加熱技術(shù)

紅外加熱技術(shù)和催化燃燒技術(shù)是五十年代便研究和發(fā)展起來的新技術(shù)，催化式紅外加熱技術(shù)結(jié)合二者，將燃燒介質(zhì)與催化劑混合，在催化劑表面的影響下，燃料會進(jìn)行無焰的燃燒，也正是因為沒有可見光的出現(xiàn)，能量的損失便會隨之減少，這些沒有損失的大部分能量將會轉(zhuǎn)化為紅外輻射，以此來達(dá)到加熱的目的。

紅外加熱技術(shù)大都可以將加熱溫度提高至500 ℃以上，但此技術(shù)在油田應(yīng)用尚淺，加熱效果還有待提高；催化燃燒的核心是催化劑的選擇和制備，良好的催化劑可提升反應(yīng)活性、降低燃燒溫度[9]。而如何利用這一技術(shù)對天然氣進(jìn)行加熱、如何使用合適的催化劑、如何與現(xiàn)場實際情況相結(jié)合等這些問題還需今后對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究探討。

1.4 光熱-空氣源熱泵加熱技術(shù)

太陽能光熱與空氣源熱泵各有利弊，兩者互補(bǔ)是制熱技術(shù)的發(fā)展方向之一[10]。針對于光熱-空氣源熱泵加熱技術(shù)，E. B. Penrod和K. vPrasanna早在20世紀(jì)60年代就提出把太陽能和地埋盤管相互結(jié)合[11]，這一思想被提出以后便出現(xiàn)了大批國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了深入的研究探討。在太陽能與空氣相結(jié)合的的復(fù)合熱泵加熱系統(tǒng)方面，當(dāng)前研究人員主要是從單獨熱泵系統(tǒng)的構(gòu)架組裝、改裝以及系統(tǒng)元件改進(jìn)方面進(jìn)行研究，以此來達(dá)到系統(tǒng)之間的適應(yīng)連接。

國外對這一技術(shù)的研究出現(xiàn)了很多系統(tǒng)的設(shè)置研發(fā)以及技術(shù)改進(jìn)，美國的JamesA.Eibling[12]、土耳其特拉布宗的KamllKaygusuz[13]等在原有技術(shù)支持下，對將太陽能集熱器、蓄熱水箱、熱水箱、換熱器、壓縮機(jī)、水源蒸發(fā)器、空氣源蒸發(fā)器、空氣源冷凝器和室外換熱盤管等進(jìn)行組裝，最終研發(fā)出了具有多種運行模式太陽能與空氣相結(jié)合的熱泵系統(tǒng)；在后期發(fā)展中為了實現(xiàn)熱源溫度的有效提升，部分學(xué)者還利用太陽能空氣集熱器對空氣溫度進(jìn)行了提升，并以此為依據(jù)建立了太陽能熱泵系統(tǒng)；近年來，應(yīng)用太陽能光伏[14]來加大太陽能光熱的吸收也在此技術(shù)中得到了一定的發(fā)展。

目前，使用空氣源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用至油田現(xiàn)場中，但其結(jié)合太陽能光熱的技術(shù)還未得到實質(zhì)上的應(yīng)用，在天然氣加熱方面還仍待考究。

1.5 石墨烯薄膜加熱技術(shù)

石墨烯是目前一種新型材料，它因為優(yōu)異的高導(dǎo)電性、強(qiáng)機(jī)械性、高導(dǎo)熱性等特點[15]，使其在電熱領(lǐng)域具有非常大的發(fā)展空間；在當(dāng)前的電子、能源、化工、材料等領(lǐng)域也是得到了廣泛應(yīng)用。石墨烯材料的制備方法主要包括有化學(xué)方法和物理方法，其中化學(xué)方法包括化學(xué)氣相沉積（CVD）法、氧化還原法等，物理方法包括機(jī)械剝離法、液相剝離法、超臨界二氧化碳剝離法等；在制備用于電加熱的石墨烯薄膜時，制備方法則主要包括層層涂覆法、GO（氧化石墨烯）膜還原法、導(dǎo)電漿料涂敷法等[16]。

就目前發(fā)展來看，石墨烯主要是用于儀器的材料制備，利用本身特性以此來提升加熱設(shè)備導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。現(xiàn)已制備出柔性石墨烯/碳納米纖維素/聚偏氟乙烯等復(fù)合型電加熱膜[17]，同時也研制出了CVD反應(yīng)爐[18]等為石墨烯的制備提供了精密儀器。

2 加熱技術(shù)發(fā)展

在上述加熱技術(shù)中，隨著提升加熱效率、提高加熱溫度、增加資源利用率等要求的提出，其加熱性能要求也是在不斷提升。同時，為構(gòu)建低碳環(huán)保的綠色能源發(fā)展體系，開發(fā)太陽能等可再生能源已成為發(fā)展的重要內(nèi)容，國內(nèi)外加熱技術(shù)的發(fā)展也正在向此方向靠攏。

2.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢

對于水套/真空加熱爐的發(fā)展，主要是為了解決其運行中排煙熱損失、氣體未完全燃燒的損失以及散熱損失所造成的效率低下的問題，因此合理控制熱負(fù)荷、控制風(fēng)量配比、合理改造燃燒器、加熱爐余熱回收以及加熱爐的預(yù)熱[19]便成了主要的發(fā)展內(nèi)容，同時為實現(xiàn)儀器設(shè)備自動化，對加熱爐進(jìn)行SCADA技術(shù)[20]改造也為今后井場智能化提供了發(fā)展方向；而對于電加熱技術(shù)，其發(fā)展趨勢包括有提升設(shè)備導(dǎo)電材料的導(dǎo)電傳熱性能研究、加熱器聯(lián)接形式研究、加熱元件位置放置性能分析、蓄熱器設(shè)計研究以及電加熱輔助供熱技術(shù)的研究。

國內(nèi)對于加熱技術(shù)發(fā)展，在其他新興技術(shù)方面也進(jìn)行了引進(jìn)和研究。類似光熱-空氣源熱泵系統(tǒng)，國內(nèi)張小松[21]等研制了一種新型太陽能-空氣復(fù)合熱源熱泵熱水裝置，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了系統(tǒng)的運行模式與特性；根據(jù)太陽能輻射條件和空調(diào)負(fù)荷變化的幾種工作模式，劉業(yè)鳳[22]設(shè)計了太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)。后期該系統(tǒng)的研發(fā)又逐步轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)的安裝連接[23]、光伏組件的應(yīng)用[24]、提質(zhì)增效的研究上，更是出現(xiàn)了智能算法對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[25]。

在石墨烯發(fā)展方面，主要集中于薄膜的制備、復(fù)合材料的研制以及設(shè)備制作等方面。越來越多的學(xué)者通過大量實驗研究以此來制備性能更為優(yōu)良的石墨烯材料，為今后石墨烯材料在加熱方面的應(yīng)用提供了大量的技術(shù)支持；同時也研究出基于皮秒激光工藝的石墨烯薄膜微加熱器[26]等，但此類加熱器加熱溫度不高，在提升溫度方面還需進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 國外發(fā)展趨勢

對于催化式紅外加熱技術(shù)發(fā)展，國外主要集中于催化劑的性能研究上，現(xiàn)已衍生出有貴金屬催化劑（Pd催化劑、Pt和Au催化劑等）、非貴金屬氧化物催化劑（CeO2等）、鈣鈦礦型氧化物催化劑、類鈣鈦礦型氧化物催化劑、尖晶石型氧化物催化劑、燒綠石型氧化物催化劑等[27-28]；針對光熱-空氣源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展，主要集中于各種加熱設(shè)備系統(tǒng)的研究，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體或局部的優(yōu)化，以此使熱泵系統(tǒng)滿足負(fù)荷要求、提升其加熱效率，并且通過研究光熱組件等來提高資源利用率；在石墨烯方面，雖然目前該技術(shù)在天然氣加熱方面還存在溫度不夠高等問題，但后期研究表明，如何將石墨烯與復(fù)合材料結(jié)合、如何提高石墨烯導(dǎo)熱導(dǎo)電性能、如何適用于加熱設(shè)備中等都是今后石墨烯加熱的發(fā)展方向，并且經(jīng)過研究現(xiàn)已衍生出石墨烯納米帶環(huán)氧涂層、全氟十二烷基石墨烯納米帶薄膜、石墨烯泡沫聚合物等復(fù)合材料。

3 總結(jié)與展望

國內(nèi)外對于加熱技術(shù)的發(fā)展集中于提升效率、降低成本、節(jié)約能源，利用新能源更是未來加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，類似多源熱泵系統(tǒng)、石墨烯等技術(shù)在天然氣加熱方面還未得到廣泛應(yīng)用，而這些新技術(shù)的發(fā)展國內(nèi)外都在同步研究中，對今后天然氣加熱技術(shù)的應(yīng)用也都會起到提質(zhì)增效的作用。

對于天然氣加熱技術(shù)的后期發(fā)展，還有一些地方值得思考注意：

1）在加熱技術(shù)上，應(yīng)該在導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能以及余熱回收方面進(jìn)行更深層次研究。加熱技術(shù)效果主要體現(xiàn)在傳熱效果上，利用有效的材料對技術(shù)進(jìn)行研究一直都是今后加熱技術(shù)提質(zhì)增效的優(yōu)良保障；同時，將本會損失掉的熱量利用起來，對于降低燃料消耗等方面都將體現(xiàn)出現(xiàn)實意義。

2）在加熱設(shè)備的研究上，可以對設(shè)備的安裝方式、設(shè)備改造進(jìn)行研究。像是研究設(shè)備串并聯(lián)的適用性、設(shè)備的元件改造、設(shè)備智能化等，這些都會在一定程度上對天然氣的加熱起到輔助作用，對實際的現(xiàn)場應(yīng)用也會提供多種適用方法。

3）對于天然氣加熱技術(shù)的提升，可以更多的利用可持續(xù)資源進(jìn)行發(fā)展。在綠色環(huán)保的基礎(chǔ)上讓資源得到有效利用，為后期技術(shù)的良性發(fā)展提供技術(shù)支持。

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Present Situation and Development Trend of Natural Gas Heating Technology

（Xi'an Shiyou University, Xi'an Shaanxi 710065, China）

As one of clean energy, natural gas has been widely used in industry and life. In order to ensure the safe and stable operation of natural gas, heating to raise the temperature has become a key technology to prevent the formation of natural gas hydrate. In this paper, the main direction of natural gas heating technology was studied and sorted out. The commonly used heating furnace heating, electric heating technology, advanced catalytic infrared heating technology, multi-source heat pump system and graphene heating technology were summarized, and their later development was further discussed.

Natural gas; Heating technology; Sustainable development

2021-08-15

路天玥（1999-），女，陜西省渭南市人，在讀研究生，2021年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：油氣管道運輸。

TQ025.1

A

1004-0935（2023）02-0279-04