PDF《新型相变加热炉 的设 计及 应用》

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0 石油化I应豫PETR0CHEMI CAL I NDUS TRY APPLI CAT I ON 第29卷 第12期

2 01 0年12月 新型相变加热炉的设计及应用 苏海鹏(华油惠博普科技股份有限公 司, 北京100120)摘要:相变加 热炉在 油气田集输工程 中得到 了广泛应用 , 在 降低能耗方 面发挥 了重要 作用 , 但是在其外 形结构和金属 耗量方面却没有取得 实质性 突破 .针对相 变加 热炉应 用存在 的问题 , 运用锅壳锅炉的设计理念 , 对加热炉结构进行优 化.阐述 了相 变加热 炉的工作原理和特 点,介绍新型相 变加热炉的设计理念 、 特点和工程 实例. 关键 词: 相变加热炉;

锅壳锅炉 ;

结构优化 中图分类号 : T E

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4 文献标 志码 : A 文章编号 :

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8 5 (

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0 5 De s i g n a nd a ppl i c a t i o n o n t he ne w t y pe pha s e c ha ng e he a t e r S U Ha i p e n g ( C h i n a O i l B P S c i e n c e&

T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n L t d . , B e i j i n g

1 0

0 1

2 0 , C h i n a ) Abs t r a c t : Th e p h a s e c h a n g e d h e a t e r h a s b e e n a p p l i e d wi d e l y i n g a s-o i l t r a n s p o r t a t i o n e n g i ne e r i n g ,i t h a s p l a y e d i mp o r ta n t r o l e o i l r e d u c i n g e n e r g y c o n s u mpt i o n ,bu t t h e f ig u r e s t r u c t u r e a n d me t a l c o n s ump t i o n h a v e n o t i mp r o v e d v i r tu a l l y .Ba s e d o n a b o v e q u e s t i o n s ,t h e d e s i g n i d e a o f s h e l l b o i l e r h a s be e n a p p l i e d t o i mp r o v e a n d d e s i g n t h e h e a t e r S s t r u c t u r e . Th e p a p e r d e s c r ib e s t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f p h a s e c h a n g e d h e a t e r a n d i n t r o d u c e s t h i s n e w t y p e h e a t e r o n t h e d e s i g n i d e a ,c h a r a c t e r is t i c a n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n . Ke y wo r d s :p h a s e c h a n g e d h e a t e r ;

s h e l l b o i l e r ;

s t r u c t u r e i mp r o v e d 相变加热炉是将燃料燃烧产生的热量传递给中间 介质水使其变为饱和蒸汽 ,饱和蒸汽通过相变换热将 热量传 给被加热介 质而使其温度升高 的一种加 热设 备,它广泛应用 于油气集输系统 中, 将原油 、 天然气及 采 出液加热到丁艺所要求的温度 ,以便进行输送 、 沉降、分离 、 脱水和初加工 . 近年来 , 加热炉在研究应用烟 管强化换热及微正压燃烧通风技术 、波形火筒和螺纹 烟管强化传热技术 、 热管传热技术 、 螺旋管式加热盘 管 、相变传热技术及控制技术等方面取得 了很大的技 术进步 , 水套炉的设计热效率达到

8 3%~

9 0%, 但在金 属耗量 、 设备小型化等方面并没有突破性的进展… .针 对加热炉应用存在 的问题 , 借鉴锅壳锅炉闭 的设计理 念,对相变加热炉进行 了整体优化. 简要介绍相变加热 炉的1 二 作原理及特点 ,阐述了新型相变加热炉的设计 理念特点和工程应用实例.

1 相 变加 热炉工作原理 加热炉采用相变换热技术, 即将加热炉壳体 内封 闭空间分为气化空间和相变空间 ,通过燃料的燃烧加 收稿 日期 :

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2 7 作者简介 : 苏海鹏 , 男(

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7 8 一),工程师 , 学士 ,

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0 2年毕业 于哈 尔滨理 工大学热 能工程专业.主要 从事热能工程和油 气田热 工装备的研发设计工作. 石 油化 工应 用2010年 第29卷 热热媒水产生饱和蒸汽 ,饱和蒸汽上升到相变空间与 低于饱和温度的换热管接触 , 凝结放出相变热 , 即气化 潜热 , 将热量通过换热管传递给管 内被加热介质 , 蒸汽 冷凝放热后冷凝回气化空问 ,如此循环往复的将热量 传递给换热管内被加热介质. 相变加热炉通常采用蒸汽横掠水平管进行换热 , 在相变换热过程中,蒸汽的凝结通常有膜状凝结和珠 状凝结_

3 1 , 然而在实际工程应用 中, 由于珠状凝结不能 够长久的保持 , 一般认为蒸汽的凝结 主要是膜状凝结 . 因此 ,相变加热炉从设计的观点出发 ,为保证凝结效 果 ,只能以膜状凝结的相关计算公式作为设计的主要 依据.相变加热炉主要特点是炉内热媒温度基本保持 不变 , 并在相对较小 的温差下 , 达到较高强度的放热和 吸热 目的, 因而加热炉外形尺寸相对缩小.

2 新型相 变加热炉的设计理念与特 点2.1新型相变 加 热炉 的设计 理念新型相变加热炉在设计过程 中,火筒热力计算在 引入锅炉传热计算的理念和概念 的同时,结构型式上 也引入锅壳锅炉 的设计概念 .图 1是优化设计后 的真 空相变加热炉结构简图. (

1 ) 根据燃料特性和燃烧设备 、 加热炉负荷等综合 因素确定火筒直径 , 热力计算引入火筒出口经济烟气温 度.结合燃烧机的火焰长度和直径曲线图, 确定火筒的 结构尺寸 , 将火筒出口烟气温度控制在

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0 0℃左右.相同功率 的加热炉 , 燃用气体 、 液体燃料时火简直 径是不同的.一般情况下燃用气体燃料和轻油或柴油 时, 火筒直径 比燃用重油和渣油或原油大

5 0 ~

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0 mm;

l 一 液位计接 管;

2 一 加强筋 ;

3 一 压力表( 接口) ;

4 _ 燃料预热管 ;

5 - 温度计( 接口) ;

6 一排气放空 阀( 接口) ;

7 一 压力控 制器( 接口) ;

8 - 换热盘管 ;

9 一 补水 阀( 接口) ;

1 0 一检查孔 ;

1 1 一 斜拉撑 ;

1 2 一 后管板 ;

1 3 一 直拉杆 ;

1 4 一排污管;

1 5 一 回燃室 ;

1 6 一 活动鞍座 ;

1 7 一 锥形炉胆 ;

1 8 一 壳体 ;

1 9 一 波形炉胆 ;

2 0 一 烟管 ;

2 1 一 固定鞍座 ;

2 2 一 前管板 图1新型真空相变加 热炉结构简图 (

2 ) 烟气传热计算过程借鉴锅炉的有关概念 . 如有 效角系数和热有效 系数 , 并结合燃料类 型、 烟气流速 等因素并考虑设备 的运行工况 ,目的在于提高计算的 合理性 、 有效性 ;

(

3 ) 辐射段火筒采用波型火筒或炉胆嘲 ( 见图 2) 、 锥形炉胆圆 和大燃烧室结构形式, 取代传统加热炉 的u型火筒 , 保证了充分燃烧和传热要求 ;

图2波型 火筒和局部结构图 (

4 ) 烟气对流段采用螺纹管l

4 j 问,强化烟气传热 . 螺 纹管以其加工制作简单 、成本低 、综合效率较高等优 势, 得到了广泛的应用.螺纹管 , 即单头 凹纹螺旋槽异 型管 问(见图

3 ) , 采用特制的压制设备 , 将光管碾制成 外形为螺纹状的凹槽 , 管 内为相应的螺纹状( 凸起 ) , 使 烟气在管内不但有轴 向运动 ,还发生螺旋状运动 以及 受到螺纹形凸出界 面的周期性扰动 . (

5 ) 确定合理的燃烧方式 、 优选燃烧设备.采用强 制通风微正压燃烧方式 能保 证供应足够 的空气和燃 烧 的充分性 . 燃烧 和传热都可得到强化 , 对提高锅炉 效率 、 减小低 温腐蚀有 利 .再加烟气 比容减小 , 可使 燃烧室和对流段尺 寸缩小 ,尤其对大负荷加热炉非 第12期 苏海鹏 新型相变加热炉 的设计及应用

9 5 常 明显.

2 .

1 新型相变加热炉的特点 图3螺纹 管结构参数和 外形 图(1)采用波型炉胆后 , 有效增加受热 面, 强化传热 , (

3 ) 加热炉火筒 、 燃烧室及对流受热面采用低位设 提高了整个炉胆的柔性 ,防止炉胆在较高温度下产生 计,燃烧室采用全湿背式结构布置 ( 见图

4 ) .加热炉燃 较大的膨胀量破坏结构的完整性 .波型炉胆两端采用 烧室及受热面采用低位设计 , 完全浸没于热媒水 中, 这 锥形炉胆 , 可以缩小 回燃室和加热炉 的整体尺寸 , 并可 样有利于将温度最高的燃烧室浸没于水 中,使加热炉 以布置足够换热面的烟管, 一般情况下 , 加热炉壳体直 水位 的安全范围增大 ;

径可减小

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0 ~

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0 l n l n . 增加 回燃室可 以使燃料得到充 (

4 ) 对流受热面部分采用螺纹烟管.与光管相比, 采 分的燃烧 , 从而提高燃料利用率和加热炉效率 ;

用螺纹烟管后 , 对流传热系数提高了至少

5 0 %. 在同样的 (

2 ) 加热炉封头采用平板封头, 在锅壳锅炉中也叫管 负荷隋况下 , 比采用光管所需要的换热面积大为减少 ;

板日 . 与传统的椭圆封头相比, 封头的结构尺寸大为减小. (

5 ) 根据各油气 田环境 的不同要求 , 对流部分结构 不仅有效的减小了部件尺寸 , 同时也降低了部件成本;

进行灵活布置 ,既可以采用三回程结构也可 以采用两 l 一图4受热面结构布置简图 回程结构 ;

火筒和对流烟管采用轴对称结构布置 ( 如图4所示 ) , 保证烟气 流动 的均匀性和稳定性 , 使加热炉 结构更加 的紧凑 ;

(

6 ) 考虑到烟管 和管板连接处 的热应力和机械应 力的作用可能产生的管板裂纹及烟管穿孔 ,在设计过 程中,对烟管和管板连接处的焊缝进行有效地耐火保 护,防止出现管板裂纹 , 增加 了加热炉 的使用寿命.

3 工程 应用实例 如图

5 所示 ,相变加热炉通常按结构型式和壳体 设计压力进行分类罔 .在结构型式上 , 一体式或撬装式 : o 一.0Jll相变加热炉在实际应用中, 其分类界不是特别 的明显 , 通常简称相变加热炉. 按照蒸汽压力 , 将炉内介质蒸汽 额定压力低 于当地大气压的相变加热炉为真空相变加 热炉或负压相变加热炉;

炉内介质蒸汽额定表压力不 大于

0 .

1 MP a的相变加热炉为微压相变加热炉 ;

炉内 介质蒸汽额定表压力大于

0 .

1 MP a的相变加热炉为压 力相变加热炉.相变加热炉 以真空相变和分体式相变 加热炉应用 比较广泛 .

3 .

1 真空相变加热炉的工程应用 如图 6和图 7分别为一体式真空相变加热炉在大 庆油田的现场应用和完成出厂的撬装式真空相变加热 炉 .真空相变加 热炉在标准状态下 ,炉体真空 度为 石油化工应用

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1 0年第29卷 图5相变加 热炉分类简图0.08MP a , 换热器所在 的上部空 间既........