天然氣加熱爐的發(fā)展現(xiàn)狀與改進(jìn)探索

摘 要

摘要：作為一種特殊的爐型形式，天然氣加熱爐采用中間載熱介質(zhì)間接加熱的方式，是天然氣生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用中的主要耗能設(shè)備。為了節(jié)能降耗、提高加熱效率，必須結(jié)合工程實(shí)際的需要，優(yōu)
摘要：作為一種特殊的爐型形式，天然氣加熱爐采用中間載熱介質(zhì)間接加熱的方式，是天然氣生產(chǎn)、輸送和應(yīng)用中的主要耗能設(shè)備。為了節(jié)能降耗、提高加熱效率，必須結(jié)合工程實(shí)際的需要，優(yōu)化加熱爐的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造出高效節(jié)能的天然氣加熱爐。為此，分析了天然氣加熱爐傳熱的薄弱環(huán)節(jié)及其強(qiáng)化措施，針對(duì)天然氣加熱爐大筒體內(nèi)換熱面的常規(guī)布置形式存在的缺陷，提出了旋轉(zhuǎn)加熱和冷卻受熱面以及在受熱面之間加裝導(dǎo)流板兩種簡(jiǎn)單而有效的天然氣加熱爐改良結(jié)構(gòu)，使中間載熱介質(zhì)形成整體有組織的順暢流動(dòng)并強(qiáng)化傳熱，從而達(dá)到節(jié)能降耗和提高天然氣加熱爐效率的目的。以上兩項(xiàng)技術(shù)已獲得國(guó)家專利授權(quán)。
關(guān)鍵詞：天然氣加熱爐；流場(chǎng)組織；旋轉(zhuǎn)；大簡(jiǎn)體；中間載熱介質(zhì)
    天然氣加熱爐常用于井口、計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站等，將天然氣加熱至工藝所要求的溫度，以便進(jìn)行運(yùn)輸、分離和粗加工等(圖1)。
 
    天然氣在使用過程中也常需要加熱，如在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組中，其工藝對(duì)燃料氣的壓力、溫度和露點(diǎn)要求很高[1]，電廠使用的燃料氣必須經(jīng)過調(diào)壓和加熱處理。另外，在液化天然氣(LNG)輸配應(yīng)用系統(tǒng)中，要使LNG氣化，也必然會(huì)用到大量加熱氣化爐。
1 天然氣加熱爐的工作原理
    天然氣加熱爐采用整體組裝式結(jié)構(gòu)，在臥式大容積筒體內(nèi)布置火筒、煙管束等加熱受熱面和多回程對(duì)流管束等冷卻受熱面，筒內(nèi)充注中間載熱介質(zhì)作為加熱和冷卻受熱面之間的傳熱媒介，幫助冷、熱兩種流體達(dá)到傳熱的目的，中間載熱介質(zhì)可采用水、乙二醇溶液和導(dǎo)熱油。通常，加熱和冷卻受熱面沿大筒體圓截面中心軸呈軸對(duì)稱布置，火筒和煙管束位于水平軸的下方，對(duì)稱布置于垂直軸的左右側(cè)；多回程對(duì)流管束位于水平軸的上方，各回程也對(duì)稱布置于垂直軸的左右側(cè)，如圖2所示。
 
    天然氣加熱爐工作時(shí)，用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量加熱需要加熱以達(dá)到工藝要求的工業(yè)用天然氣。燃料和空氣經(jīng)燃燒器混合后噴入大簡(jiǎn)體下部一側(cè)的火筒燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，煙氣?jīng)火筒折入大筒體下部另一側(cè)的煙管束，最后經(jīng)煙囪向上排入大氣。在該過程中，高溫?zé)煔鈱崃客ㄟ^火筒壁和煙管束壁傳遞給中間載熱介質(zhì)，中間載熱介質(zhì)吸熱升溫；同時(shí)中間載熱介質(zhì)將大部分熱量通過對(duì)流管束壁面?zhèn)鬟f給需要加熱的工業(yè)用天然氣，中間載熱介質(zhì)放熱降溫。
    天然氣加熱爐是采用中間載熱介質(zhì)間接加熱的一種特殊的爐型形式，工作運(yùn)行可靠，但啟動(dòng)慢，是天然氣工業(yè)中的重要耗能設(shè)備之一。提高天然氣加熱爐的熱效率，顯然是一個(gè)必須解決的問題。
2 天然氣加熱爐傳熱系統(tǒng)分析
    對(duì)天然氣加熱爐來說，煙氣、中間載熱介質(zhì)、需加熱的天然氣這三者是通過火筒、煙管束和對(duì)流管束進(jìn)行換熱的。火筒、煙管束和對(duì)流管束的材料均為鋼材，其導(dǎo)熱系數(shù)為定值，只有通過提高三者之間的傳熱系數(shù)，加熱爐的熱效率才能得到提高。研究人員對(duì)提高天然氣加熱爐熱效率投入了大量的精力，主要考慮了煙氣-中間載熱介質(zhì)、中間載熱介質(zhì)-被加熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)的換熱情況。
2.1 煙氣-中間載熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)
    傳統(tǒng)天然氣加熱爐的煙氣-中間載熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)中，火筒和煙管熱負(fù)荷的比例約為6:4，火筒負(fù)荷率偏大，導(dǎo)致火筒結(jié)構(gòu)不合理，是造成天然氣加熱爐結(jié)構(gòu)龐大、金屬耗量高的一個(gè)重要原因。
    火筒主要傳遞輻射熱，且換熱量份額大，因此燃燒器和火筒的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。燃?xì)馊紵浞?，煙氣溫度高，可有效提高煙氣的輻射傳熱能力，所以?yīng)采用高效燃燒器，合理經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)火筒，以供燃?xì)獬浞秩紵，F(xiàn)在的天然氣加熱爐多采用機(jī)械通風(fēng)微正壓燃燒方式，燃燒器為強(qiáng)制供風(fēng)式燃燒器，并配備自動(dòng)程序點(diǎn)火和熄火保護(hù)裝置。較之自然通風(fēng)燃燒方式，加熱爐熱效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊。
    煙管主要傳遞對(duì)流熱，盡管其換熱面積比火筒大，但換熱份額少，在很大程度上影響到天然氣加熱爐的熱效率、鋼耗量和外形尺寸，因此需采取辦法強(qiáng)化煙管的對(duì)流換熱效果?？s小管徑、提高煙氣流速能夠達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，但煙氣在高速流動(dòng)下產(chǎn)生的阻力很大，必須提高強(qiáng)制通風(fēng)能力，使成本上升。近年來，中國(guó)石油大學(xué)開展了采用三維內(nèi)肋管作為加熱爐煙管的研究，結(jié)果表明，煙氣與三維內(nèi)肋管的對(duì)流換熱系數(shù)能達(dá)到光管的4.6倍[2]，可以有效地提高天然氣加熱爐的熱效率，降低金屬耗量，但需要合理地控制煙氣阻力。目前，三維內(nèi)肋管的熱力、阻力計(jì)算還依賴于實(shí)驗(yàn)資料。
    為增強(qiáng)煙氣和中間載熱介質(zhì)之間的換熱，開展了將熱管元件應(yīng)用于加熱爐的試驗(yàn)研究(通常是在煙管內(nèi)插裝熱管元件)。由于煙管中的煙氣溫度比火筒低，采用相對(duì)便宜的碳鋼一水低溫?zé)峁芫湍軡M足要求。實(shí)踐證明，熱管元件對(duì)加熱爐能起到良好的強(qiáng)化換熱作用。經(jīng)測(cè)試，熱管加熱爐的實(shí)際運(yùn)行熱效率為87%～88%，過量空氣系數(shù)為1.04～1.17，排煙溫度為160℃[3]。但熱管的應(yīng)用推廣受到冷、熱流道間的密封及熱補(bǔ)償?shù)葐栴}的制約。
2.2 中間載熱介質(zhì)-被加熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)
    天然氣加熱爐的被加熱介質(zhì)是帶壓天然氣，傳統(tǒng)的氣盤管一般做成蛇形盤管形式，它的優(yōu)點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單，易于布置在天然氣加熱爐內(nèi)。為了提高傳熱效率，采取縮小管徑、提高被加熱介質(zhì)流速的方法達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，在設(shè)計(jì)時(shí)將蛇形加熱盤管由大直徑管改為小直徑管組成的多回程管束，以取代傳統(tǒng)大直徑管盤。
    為了強(qiáng)化中間載熱介質(zhì)與被加熱介質(zhì)的換熱，也可采用真空相變技術(shù)。在密閉加熱爐筒體內(nèi)，將火筒與煙管束置于相變介質(zhì)的液相空間內(nèi)，對(duì)流管束置于相變介質(zhì)的氣相空間內(nèi)。工作時(shí)，火筒與煙管束加熱相變介質(zhì)使其沸騰，載熱介質(zhì)與火筒和煙管束間產(chǎn)生沸騰換熱。同時(shí)，產(chǎn)生的蒸汽上升，在對(duì)流管束的冷卻下凝結(jié)，載熱介質(zhì)與對(duì)流管束間產(chǎn)生凝結(jié)換熱。隨后，液滴落下來重新匯入液相，如此反復(fù)循環(huán)。由于凝結(jié)換熱和沸騰換熱是高強(qiáng)度的對(duì)流換熱形式，因此，與自然對(duì)流換熱過程相比，相變換熱過程具有更高的換熱強(qiáng)度。實(shí)踐證明，對(duì)一臺(tái)1740kW加熱爐進(jìn)行真空相變換熱技術(shù)改造后，運(yùn)行效率將達(dá)到89.03%，節(jié)能效果顯著[4]。但是相變傳熱受到飽和壓力、對(duì)流管束排數(shù)尤其是不凝結(jié)氣體的影響很大，更重要的是，由于真空加熱爐主要是通過調(diào)節(jié)真空度來調(diào)節(jié)氣相空間的溫度，溫度可調(diào)范圍比常壓天然氣加熱爐窄，操作彈性小，限制了其使用。
    還可采用高效傳熱元件來優(yōu)化對(duì)流管束結(jié)構(gòu)。例如采用可拆卸式螺旋槽u型管束，換熱系數(shù)一般可以提高50%左右[5]，但采用螺旋槽管使對(duì)流管束阻力約增大一倍，另外，由于螺旋槽管的造價(jià)較高，一般根據(jù)被加熱介質(zhì)的性質(zhì)與狀態(tài)，經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)后決定是否采用。
    天然氣加熱爐的研究隨著其應(yīng)用的不斷增加而深入，取得了很大的進(jìn)展，但仍側(cè)重于從增加氣相側(cè)的換熱技術(shù)方面著手[6]，忽視了對(duì)大簡(jiǎn)體內(nèi)中間載熱介質(zhì)的流動(dòng)與換熱研究。
3 大簡(jiǎn)體中間載熱介質(zhì)流場(chǎng)的組織
在常壓天然氣加熱爐的整個(gè)傳熱過程中，中間載熱介質(zhì)與火筒、煙管束和對(duì)流管束的傳熱形式為自然對(duì)流換熱。貼近火筒和煙管束壁面的介質(zhì)溫度較高，形成上升流，對(duì)流管束附近的介質(zhì)溫度相對(duì)較低，形成下降流。通過測(cè)試簡(jiǎn)體內(nèi)中間載熱介質(zhì)的溫度分布發(fā)現(xiàn)，天然氣加熱爐大簡(jiǎn)體內(nèi)換熱面的常規(guī)布置形式存在如下缺陷[7](圖3)：①大簡(jiǎn)體內(nèi)流場(chǎng)組織紊亂，這是因?yàn)樯仙骱拖陆盗骶亲园l(fā)產(chǎn)生的，沒有恰當(dāng)?shù)牧鞯澜M織，二股流之間易發(fā)生對(duì)沖，造成流動(dòng)不暢及加熱不勻；②大筒體內(nèi)流場(chǎng)上下溫差較小，自然對(duì)流的動(dòng)力小，加熱受熱面和冷卻受熱面之間的對(duì)流傳熱非常弱，傳熱效率低；③在整個(gè)流場(chǎng)中，還存在著不少流動(dòng)死角，如大簡(jiǎn)體底部等。
 
    所有這些因素都不利于有效傳熱流場(chǎng)的形成，使加熱和冷卻受熱面的有效利用降低，造成筒體內(nèi)傳熱流場(chǎng)組織紊亂，從而使天然氣加熱爐效率低、能耗高。顯然，中間載熱介質(zhì)傳熱過程的形成，亦即大容積簡(jiǎn)體內(nèi)流場(chǎng)的組織是提高天然氣加熱爐效率的關(guān)鍵點(diǎn)之一。
3.1 天然氣加熱爐大圓筒旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)研究
    針對(duì)天然氣加熱爐大筒體內(nèi)無法形成有效傳熱流場(chǎng)的缺點(diǎn)，首先提出一種旋轉(zhuǎn)型圓筒式天然氣加熱爐(國(guó)家實(shí)用新型專利：ZL200820057571.9)：將大筒體內(nèi)對(duì)稱布置的加熱受熱面(即火筒和煙管束，以及冷卻受熱面)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌龋辜訜崾軣崦姹M可能置于較低的位置[8](如圖4所示)，這時(shí)大筒體內(nèi)溫度最高的火筒位于筒體的最下部，形成一股較強(qiáng)向上的熱壓，增大引起自然對(duì)流的動(dòng)力，由于火筒、煙管束和對(duì)流管束內(nèi)的流體存在溫差，促使大簡(jiǎn)體內(nèi)中間載熱介質(zhì)形成順時(shí)針循環(huán)順暢的熱流場(chǎng)，消除大筒體底部的“死角”，達(dá)到強(qiáng)化傳熱，提高效率的目的。研究表明：該旋轉(zhuǎn)角度以20°為最佳[9]，旋轉(zhuǎn)太小，達(dá)不到增大動(dòng)力的目的；旋轉(zhuǎn)太大，會(huì)導(dǎo)致煙管束與輸入對(duì)流管束處于同一水平位置，反而破壞了順暢流場(chǎng)的形成。
 
3.2 天然氣加熱爐筒內(nèi)加裝導(dǎo)流板組織流場(chǎng)研究
    為加強(qiáng)天然氣加熱爐大筒體內(nèi)有效傳熱流場(chǎng)的組織，提出一種大筒體內(nèi)加裝導(dǎo)流板組織熱流場(chǎng)的改良結(jié)構(gòu)(國(guó)家發(fā)明專利：ZL200810036446.4)：在筒體上部的冷卻受熱面和筒體下部的加熱受熱面之間，沿簡(jiǎn)體軸向設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)流板的長(zhǎng)度可按實(shí)際需要沿筒體軸向分割成幾塊，這樣便于加工安裝和提高使用效果，如圖5所示。
 
導(dǎo)流板的設(shè)置，合理分隔加熱爐加熱和冷卻受熱面之間的流動(dòng)區(qū)域，中間載熱介質(zhì)在吸收筒體下方火筒和煙管束內(nèi)的熱量后，沿著導(dǎo)流板的方向形成均勻順暢有組織的向上流動(dòng)，然后將熱量傳遞給上方的對(duì)流管束，加熱低溫天然氣。中間載熱介質(zhì)放熱后，沿導(dǎo)流板另一側(cè)向下流動(dòng)，形成循環(huán)均勻的流場(chǎng)。在火筒和對(duì)流管束之間加裝弧形導(dǎo)流板，導(dǎo)流板擋住了火筒與輸入對(duì)流管束之間的通道，使火筒周圍的載熱介質(zhì)向煙管束上方流動(dòng)，與煙管束周圍的載熱介質(zhì)一起向上依次流經(jīng)對(duì)流管束各流程放熱后，向下回流到火筒周圍，在大筒體內(nèi)形成了整體大循環(huán)流場(chǎng)(圖6)?；⌒螌?dǎo)流板與熱流場(chǎng)的流線更貼切，能使大筒體內(nèi)的流場(chǎng)更順暢均勻，傳熱效果更好。
 
    實(shí)際應(yīng)用中，亦可布置雙側(cè)導(dǎo)流板(圖7)，火筒和煙管束周圍的上升流在雙導(dǎo)流板的引導(dǎo)下，分別流經(jīng)各自上方的對(duì)流管束放熱后，向下回流到火筒和煙管束附近，從而在大筒體內(nèi)形成了更有效的雙循環(huán)流場(chǎng)。
 
    對(duì)于黏性較大的中間載熱介質(zhì)，如乙二醇，尤其需要這種導(dǎo)流型的強(qiáng)化傳熱方式。通過加裝導(dǎo)流板，促使靠近壁面的熱邊界層變薄，引導(dǎo)中間載熱介質(zhì)在大筒體中形成整體有組織的順暢流動(dòng)，消除熱流場(chǎng)死角，提高傳熱效率。就天然氣加熱爐的特殊傳熱結(jié)構(gòu)和載熱介質(zhì)特性而言，在大筒體內(nèi)加裝導(dǎo)流板是一種有效的強(qiáng)化傳熱手段，效率可提高3%[10]。
4 結(jié)論
    1) 天然氣加熱爐在研究應(yīng)用微正壓燃燒技術(shù)、螺旋管槽對(duì)流管束、三維內(nèi)肋煙管強(qiáng)化傳熱技術(shù)、熱管傳熱技術(shù)、相變傳熱技術(shù)等方面取得了較大進(jìn)步。
    2) 旋轉(zhuǎn)加熱和冷卻受熱面的布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化了加熱爐的整體傳熱效果，而無需額外投資。研究表明最佳旋轉(zhuǎn)角度為20°。這種旋轉(zhuǎn)型圓筒式天然氣加熱爐值得推廣應(yīng)用。
    3) 在受熱面之間設(shè)置導(dǎo)流板能優(yōu)化天然氣加熱爐的整體傳熱結(jié)構(gòu)，使大筒體內(nèi)形成有效順暢的流場(chǎng)，是一種簡(jiǎn)單而有效的改良結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)于乙二醇這種黏性大的中間載熱介質(zhì)，能夠促進(jìn)對(duì)流換熱，提高傳熱效率，降低能耗。導(dǎo)流板的位置和形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)使用條件和工藝要求進(jìn)行優(yōu)選。
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(本文作者：郭韻1，2 曹偉武2 嚴(yán)平2 錢尚源2 1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)