卧式燃油燃气炉炉胆传热计算方法的比较研究

林 宏，赵鑫晨，姜少军

(1.哈尔滨市节能监察中心，哈尔滨，150021;2.哈尔滨工业大学，哈尔滨，150001;3.黑龙江省绥芬河市特种设备检验研究所黑龙江绥芬河157300)

0 引言

原油加热输送是通过加热提高稠油的流动温度，以降低稠油粘度，从而减少管路摩阻损失的一种原油输送方法［1］。

采用水的相变换热原理研制出的真空相变加热炉［2］，可很好地解决传统加热炉存在的问题［3］。实际应用表明，该产品在油气集运加热领城用于原油、井产物、含油污水、天然气等加热，具有安全、环保、节能、高效的优点，在石油行业具有很好的应用前景［4］。

真空相变加热炉的热力计算是很重要的，而这其中又以炉胆传热计算最为关键，炉胆传热计算的主要目的是确定炉胆出口烟温。本文在对已有的卧式内燃燃油燃气锅炉炉胆的传热计算公式进行比较，提出适合加热炉炉胆传热计算的方法和简化算法。

1 已有的炉胆传热计算公式

方法一：苏联《锅炉机组热力计算标准方法》中炉膛出口烟温的计算公式为［5］：

式中：Tll——理论燃烧温度，K;δ0——黑体辐射常数，5.67 × 10-11kW/(m2.K4);F1——炉膛辐射受热面积，m2;φpj——炉膛平均热有效系数;α1——炉膛系统黑度;φ——保热系数;Bj——计算燃烧消耗量 kg/s;Vcpj——燃烧产物平均热容量，kJ/Nm3.K;M——经验系数。

公式是建立在室燃炉传热模型基础上，并将“相似理论”应用于炉内过程得到的。考虑到锅炉行业设计工作者对苏联标准比较熟悉，所以目前在燃油燃气锅炉炉膛的热力计算中有很多厂家仍在使用此公式。式中系数M是炉膛出口烟温确定的一个关键性系数。有的学者认为M没有确切的物理意义，不适用于卧式内燃燃油燃气锅炉炉膛的热力计算。事实上此公式是在大量模型和实验数据的基础上，通过联立火焰与炉壁辐射换热方程和炉膛热平衡方程推导得出的，有着牢固的理论和实践基础;而且系数M正是充分考虑了炉膛结构、燃烧器布置形式、燃料组成等因素提出的炉膛热力计算中的半经验折算系数。

炉胆辐射传热有沿炉胆径向均匀，轴向一维线性分布的特点，所以系数M的表达式采用线性函数关系式：

式中：Xd为火焰长度和炉膛长度的比值，对气体燃料系数a为1.01;系数 b为0.49。

文中方法计算出来的炉胆出口烟温较好的与实际出口烟温相吻合。因此，以本公式的计算结果为标准，考察其他计算公式的准确性。

方法二：《关于锅壳油气锅炉炉胆传热的理论分析与计算》中提出的计算公式［6］。

方法三：《燃油燃气锅炉》一书中的简化计算公式［7］。

式中：Q为辐射换热量，kJ/m3;C为辐射换热系数，kW/(m2.K) ，推荐 C=11～15;Hf为有效辐射受热面积，m2;Thy为炉胆内火焰的平均温度，K;Tb为炉胆内表面壁温，K;Bj为计算燃料消耗量，m3/s。

文中公式形式简单，理论基础依然是辐射传热的基本方程，参数少且易于求得。公式中比较关键的是火焰的平均温度Thy和炉胆内表面壁温度Tb的计算。

有些设计者［8］在实际计算时用以下公式计算炉膛吸热。

式中：ϑ11为炉膛出口烟温 ℃;K为系数，柴油为38.5，重油为38.9;D 为锅炉蒸发量，t/h;d为炉胆内径，m;B为燃料消耗量，kg/h;Q为燃料收到基低位发热量，kJ/kg;F为辐射受热面积，m2。

方法五：盘管式燃油热载体炉膛出口烟气温度的简易计算公式

式中：F——受热面积，m2;C——辐射换热系数(kW/m2.K)，取值 2.5～3.8 之间。

此公式与式(4)实际为同一公式。

方法四：《卧式内燃三回程燃油炉炉膛出口烟温计算公式探讨》中提出的公式［9］：

式中：ϑ11为炉膛出口烟气温度，℃;Hf为炉膛辐射受热面积m2;B为燃油量;kg/h;

方法四和方法五只对燃油锅炉适用。

2 炉胆传热计算结果

采用方法一对6种热功率的加热炉炉胆进行计算，计算结果见表1。

表1 采用方法一时炉胆出口烟温的计算结果

表2 采用方法二时的热量计算误差

表3 采用方法三时系数C的计算结果

采用方法二，将方法一计算出的炉膛出口烟温代入方法二中，分别计算出烟气放热量和受热面吸热量，并用以下公式校验误差。

计算结果见表2。

采用方法三计算炉膛出口烟温时，如系数C按推荐的范围取值，则计算结果与方法一相差很大。这证明资料中推荐的系数C的取值范围并不适合本次设计的油田加热炉。为使方法三更好的适合油田加热炉炉膛出口烟温的计算，将方法一计算出的炉膛出口烟温代入方法三中，分别计算出系数C的数值，计算结果见表3。

将系数C和加热炉热功率和的关系绘成图线，见图1。

图1 加热炉热功率与系数C的关系

采用方法三计算炉膛出口烟温时，可从图1中查取对应功率下系数C的推荐值，从而使计算结果接近方法一。应用方法三计算炉膛出口烟温较为简便，参数较少，不失为一种较好的炉膛出口烟温计算方法。

3 各计算方法分析比较

方法一是最常用的炉膛出口烟温计算方法，实践证明，本方法计算出来的出口烟温较好的与实际出口烟温相吻合。

用方法二计算炉膛出口烟温时，350 kW、1 250 kW和1 600 kW加热炉的计算结果与方法一接近，但820 kW、2 800 kW、4 000 kW加热炉的计算结果与方法一相差较大。计算误差在20%左右且为负值，说明方法二计算出的炉膛出口烟温低于方法一。

用方法三计算炉膛出口烟温时，如采用文献中推荐的C值，则计算误差很大。这说明文献中推荐的C值并不适合本文结构的油田加热炉。应用方法三计算炉膛出口烟温时，可从图1中查取对应功率下的C值，从而使计算误差很小。

卧式内燃燃油燃气锅炉的炉胆传热计算在选用公式时可依照具体情况选用前三个公式中的任何一个。这三个公式的理论基础都是根据火焰和炉壁的辐射换热方程及炉膛热平衡方程式联立后推导出来的，其基础理论是相同的。而方法一计算较为复杂，方法二、方法三参数少且易于求得，运算起来更为方便。

推荐使用公式一，在这个公式中凡是影响辐射热交换的因素均有确切的表述。系数M是充分考虑了炉膛结构、燃烧器布置形式、燃料组成等因素提出的炉膛热力计算中的半经验折算系数，已经过修正，适合燃油燃气锅炉的计算。因此，采用此公式计算出来的出口烟温较好的与实际相符合，较为精确。

而方法三中的系数要依据不同的辐射热交换情况来恰当的取值。但这个值的变动范围很大，很难确切的选取，因此计算不太精确。但对本文结构的加热炉，可按图1确定C值，此时用方法三计算较为简便，且计算结果也较为精确，是很好的一种方法。

4 结论

经对几种炉胆传热计算方法的比较。建议采用苏联《锅炉机组热力计算标准方法》的计算公式进行炉胆传热计算;也可采用方法三(式4)进行炉胆传热计算，对本文结构的加热炉，式中系数C可按图1确定。

［1］ 雷西娟，王鸿膺.稠油降粘输送方法［J］.油气田地面工程.2002，21(5)：37-38.

［2］ Xiaoyin Cheng，Jintu Fan.Simulation of Heat and Moisture Transfer with Phase Change and Mobile Condensates in Fibrous Insulation.International Journal of Thermal Sciences.2004，43：665-676.

［3］ I.K.Gavrikov.Vertical Cylindrical Tube Furnaces.Chemical and Petroleum Engineering.2005，41(1-2)：58-60.

［4］ 杨洪升，席助新，毛但扦.相变换热技术在油气集输加热设备中的应用［J］.石油工程建设.2005.(6)：92-95.

［5］ 赵钦新，章燕谋.燃油燃气锅炉的结构和设计［J］.工业锅炉.1997，(1)：14-25.

［6］ 锅炉机组热力计算标准方法［M］.机械工业出版社.1976.

［7］ 卜银坤.关于锅壳式油气锅炉炉胆传热的理论分析与计算［J］.工业锅炉.2001，(5)：10-13.

［8］ 赵钦新，惠世恩.燃油燃气锅炉［M］.西安：西安交通大学出版社.2000：303-430.

［9］ 吴玉昆.内燃燃油(气)炉炉膛热力计算的看法.工业锅炉.2000，(1)：22-24.

［10］ 谷企平.卧式内燃三回程燃油锅炉炉膛出口烟温计算公式探讨［J］.工业锅炉.1995，(1)：9-10.

［11］ 寇广孝.盘管式燃油热载体炉炉膛出口烟气温度的建议计算公式［J］.工业锅炉.1998，(2)：13-14.