500kW相变加热炉对比设计

陶保林+汪志福+姜力+何勇

摘 要：相变加热炉在油气集输工程中得到了广泛的应用，在降低能耗方面发挥了重要的作用，目前使用的相变加热炉大体分为一体式及分体式，可以说两种结构型式的加热炉各有优缺点，当前还没有文献对满足同等热力要求的不同结构型式的加热炉进行比较设计，该文正是在这种背景下，针对某油田公司提供的加热炉技术要求，对能够满足该技术中热力要求的加热炉进行了两种结构型式的设计及计算，并比较了两种结构的优缺点，为此种规格型式的相变加热炉的结构设计及优化提供指导。

关键词：加热炉  相变  设计  对比

中图分类号：TE974    文献标识码：A  文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0058-03

相变加热炉是将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递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工艺所要求的温度，以便进行输送、沉降、分离、脱水和初加工[1]。有研究表明相对于传统型式的水裕加热炉而言，真空相变加热炉具有效率较高，自动化控制程度较高、处理量较大、结构易于调整等优点[2]。该文正是在此背景下对某油田需要的加热炉进行了真空相变型式的设计，并对此种规格的加热炉设计了两种结构型式，以期为相变加热炉在结构的选择上提供参考。

1 设计条件

1.1 设计参数

相变炉工作压力为MPa（A），炉体设计压力为MPa（A）。

加热介质为含水原油（含水40%）。

净化油量为570 t/d，进炉最低温度为25℃，出炉温度为40℃被加热含水原油工作压力：MPa（A）。

1.2 被加热介质物性

该井区地面原油密度在0.856～0.865 g/cm3之间，平均密度为0.862固点在14.00℃～22.00℃之间，平均为19.08℃，平均气油比为14 m3/m3。属密度较低、粘度较低、凝固点较高的含蜡原油。

2 传热计算

由于该文的重点主要是比较同种规格加热炉的结构优缺点，故本次设计中对两种结构型式的加热炉采用形同规格的火筒、烟管，其具体机构型式在文章的后面有论述。该文论述的重点主要围绕在加热盘管部分。

2.1 一体式相变加热炉盘管热力计算

加热盘管内被加热介质的平均温度按下式计算[3]，计算结果为31℃。

（1）

式中为被加热介质的进口温度，25℃;

为被加热介质的出口温度，40℃。

所选用的加热盘管的规格为φ57×3，根据《油田油气集输设计技术手册》中的设计方法及工艺条件，以盘管内平均温度作为加热盘管内被加热介质的定性温度，可以确定在平均温度下，原油密度ρ为862 kg/m3，原油的粘度μ为15.58MPa·s，原油导热系数为0.134W/（m2·℃），原油普朗特数Pr为241.84[3]，加热介质在管内的流速为3.18 m/s，雷诺数Re为8973，管内壁面对被加热介质的换热系数为788.9w/（m2·℃），管外蒸汽冷凝换热系数[4]约为9000w/（m2·℃）;管内壁污垢热阻ri为0.00035m2·℃/W，管外壁污垢热阻ro为 0.00009m2·℃/W，加热盘管内的传热系数K为520W/（m2·℃）。

由于相变炉工作压力为0.3 MPa，查阅饱和水蒸气表得到其饱和温度为133.3℃，根据《油田油气集输设计技术手册》中对数温差公式计算得出对数平均温差为102℃。

由公式（2）计算得到每根盘管所需的对流受热面积为4.72 m2。

（2）

式中为每根盘管的传热量，由于加热中加热介质的流动方式是在两根对称的盘管中平行流动，故取每根盘管的传热量为250 kW。

所以两根盘管的总的传热面积为9.44 m2。

由公式（3）可得加热盘管总长度L为58.87 m，实际设计中取为60 m。

（3）

2.2 分体式相变加热炉盘管热力计算

分体式相变加热炉所采用的结构型式如图2所示，其结构主要由下面的蒸发器和上面的浮头换热器组成，其中浮头式换热器内换热盘管的规格为φ45×3，每根换热管的长度为3.5 m2采用4管程，根据2.1节的计算方法可以得出浮头式换热器加热盘管内的传热系数K为200 w/（m2·kg），传热面积为29.4 m2。雷诺数Re为1305，管内流速为0.605 m/s。

由公式（4）可计算出加热盘管的总根数N为68.6根，为了布管方便N取72。

（4）

公式中各值的意义及大小如上所述。

故加热盘管的总长度为252 。

3 流动阻力计算

由于相变加热炉壳程内的流动介质为蒸汽，故可以不考虑壳程内的流动阻力，只需分析管程内的流动阻力。

3.1 一体式相变加热炉管程流动阻力

一体式相变加热炉盘管的流动阻力由两部分组成，即沿程阻力和局部阻力[5]。

3.1.1 沿程阻力计算

光滑表面管内的沿程阻力可按照达尔赛式[5]（5）计算，计算得出为0.081 MPa。

（5）

当Re=3000～10000时，式中延程阻力系数可由下式计算：

（6）

公式（5）、公式（6）中各值的大小和意义如前所述。

3.1.2 局部阻力

由于工质在蛇形管内流动，流动方向不断发生变化，其局部阻力可由式计（7）计算，每根加热盘管的流向改变次数n为9，经过计算得出为0.0013 MPa。endprint

（7）

所以每根加热盘管的总摩擦阻力为0.082 MPa。

3.2 分体式相变加热炉管程流动阻力

管壳式热交换器管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进、出口连接管阻力等三部分[6]，因而：

（8）

式中为管程总阻力，Pa;为沿程阻力，Pa;为回弯阻力，Pa;为进、出口连接管阻力，Pa;

（1）沿程阻力，可用下式（9）进行计算，计算结果为0.0028 MPa。

（9）

当Re<2000时，式中延程阻力系数可由下式计算。

（10）

公式（9）、公式（10）中各值的大小和意义如前所述。

（2）回弯阻力用下式（11）计算，计算结果为0.0025 MPa。

（11）

式中为管程数4，其余各值的大小和意义如前所述。

（3）进出口连接管阻力的可用下式（12）计算，计算结果为0.00024 MPa。

（12）

式中各值的大小和意义如前所述。

所以总摩擦阻力约为0.006 MPa。

4 两种结构型式相变炉的结构比较

通过2.1节中的计算可以得出500 kW一体式相变加热炉的样本如图1所示，此种结构的炉体主体结构筒体规格为φ1420×10，长度为4000 mm;火筒规格为φ426×8，长为3000 mm;烟管为螺纹烟管，规格为φ57×3;每根烟管长为3000 mm，共20根;加热盘管选用无缝钢管，规格为φ57×5，总长度为60000 mm，压降约为0.082 MPa。整个加热炉重量约为8000 kg。

通过2.2节中的计算可以得出500 kW分体式相变加热炉的蒸汽发生器的样本结构如图2所示，此种结构的相变炉的蒸汽发生器筒体截面规格为φ1120×10，长度为3988 mm，火筒尺寸为φ426×8，长为3000 mm;烟管为螺纹烟管，规格为φ57×3;每根烟管长为3000 mm，共20根;总重量约为4300 kg。

500 kW分体式相变加热炉的加热器为浮头式换热器，其筒体截面规格为φ820×10，长度为4448 m，换热管规格为φ45×3，每根长度为3500 m，共72根。整个浮头换热器总重约为3500 kg。

另外500 kW分体式相变加热炉的扶梯平台的重量约为4000 kg，烟囱重量约为500 kg，保温重量约为800 kg。故设备总重量约为13100 kg，压降约为0.006 MPa。

通过上述的比较可以发现，一体式结构相变炉金属耗量较分体式相变炉少很多，且结构简单，安装方便，但是一体式相变炉加热盘管中介质的流速较分体式中快，流动阻力比分体式大，不适合于某些对介质流动压降有严格要求的场合使用。分体式相变炉虽然体积庞大，其起加热介质作用的浮头式换热器结构较复杂、造价较高，但是对于对压降有严格要求的场合，分体式相变炉的综合处理效果比一体式好。

5 结语

通过对额定功率为500 kW的相变加热炉进行一体式和分体式结构设计发现，两种结构型式的加热炉各有优缺点。对于介质流动压降范围可取较大值的场合推荐使用一体式相变加热炉，因为此种炉子较经济，体积较小、且易于安装、操作及维护。对于对介质在管程中流动压降有严格要求的场合，推荐使用分体式相变加热，因为此种结构炉子加热盘管的横截面较大，介质在管程的流速较小，从而压降也比较小。

参考文献

[1] 苏海鹏.新型相变加热炉的设计及应用[J].石油化工应用，2010，29（12）：93-97.

[2] 吕静，元玉兰.多井式天然气加热炉热力设计及其应用问题探讨[J].工业锅炉，2010（5）：1-4.

[3] 《油田油气集输设计技术手册》编写组.油田油气集输手册（下册）[M].北京：石油工业出版社，1994.

[4] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 邓寿禄，王贵生.油田加热炉[M].北京：中国石化出版社，2011.

[6] 史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].4版.江苏：东南大学出版社，2009.endprint

（7）

所以每根加热盘管的总摩擦阻力为0.082 MPa。

3.2 分体式相变加热炉管程流动阻力

管壳式热交换器管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进、出口连接管阻力等三部分[6]，因而：

（8）

式中为管程总阻力，Pa;为沿程阻力，Pa;为回弯阻力，Pa;为进、出口连接管阻力，Pa;

（1）沿程阻力，可用下式（9）进行计算，计算结果为0.0028 MPa。

（9）

当Re<2000时，式中延程阻力系数可由下式计算。

（10）

公式（9）、公式（10）中各值的大小和意义如前所述。

（2）回弯阻力用下式（11）计算，计算结果为0.0025 MPa。

（11）

式中为管程数4，其余各值的大小和意义如前所述。

（3）进出口连接管阻力的可用下式（12）计算，计算结果为0.00024 MPa。

（12）

式中各值的大小和意义如前所述。

所以总摩擦阻力约为0.006 MPa。

4 两种结构型式相变炉的结构比较

通过2.1节中的计算可以得出500 kW一体式相变加热炉的样本如图1所示，此种结构的炉体主体结构筒体规格为φ1420×10，长度为4000 mm;火筒规格为φ426×8，长为3000 mm;烟管为螺纹烟管，规格为φ57×3;每根烟管长为3000 mm，共20根;加热盘管选用无缝钢管，规格为φ57×5，总长度为60000 mm，压降约为0.082 MPa。整个加热炉重量约为8000 kg。

通过2.2节中的计算可以得出500 kW分体式相变加热炉的蒸汽发生器的样本结构如图2所示，此种结构的相变炉的蒸汽发生器筒体截面规格为φ1120×10，长度为3988 mm，火筒尺寸为φ426×8，长为3000 mm;烟管为螺纹烟管，规格为φ57×3;每根烟管长为3000 mm，共20根;总重量约为4300 kg。

500 kW分体式相变加热炉的加热器为浮头式换热器，其筒体截面规格为φ820×10，长度为4448 m，换热管规格为φ45×3，每根长度为3500 m，共72根。整个浮头换热器总重约为3500 kg。

另外500 kW分体式相变加热炉的扶梯平台的重量约为4000 kg，烟囱重量约为500 kg，保温重量约为800 kg。故设备总重量约为13100 kg，压降约为0.006 MPa。

通过上述的比较可以发现，一体式结构相变炉金属耗量较分体式相变炉少很多，且结构简单，安装方便，但是一体式相变炉加热盘管中介质的流速较分体式中快，流动阻力比分体式大，不适合于某些对介质流动压降有严格要求的场合使用。分体式相变炉虽然体积庞大，其起加热介质作用的浮头式换热器结构较复杂、造价较高，但是对于对压降有严格要求的场合，分体式相变炉的综合处理效果比一体式好。

5 结语

通过对额定功率为500 kW的相变加热炉进行一体式和分体式结构设计发现，两种结构型式的加热炉各有优缺点。对于介质流动压降范围可取较大值的场合推荐使用一体式相变加热炉，因为此种炉子较经济，体积较小、且易于安装、操作及维护。对于对介质在管程中流动压降有严格要求的场合，推荐使用分体式相变加热，因为此种结构炉子加热盘管的横截面较大，介质在管程的流速较小，从而压降也比较小。

参考文献

[1] 苏海鹏.新型相变加热炉的设计及应用[J].石油化工应用，2010，29（12）：93-97.

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[5] 邓寿禄，王贵生.油田加热炉[M].北京：中国石化出版社，2011.

[6] 史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].4版.江苏：东南大学出版社，2009.endprint

（7）

所以每根加热盘管的总摩擦阻力为0.082 MPa。

3.2 分体式相变加热炉管程流动阻力

管壳式热交换器管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进、出口连接管阻力等三部分[6]，因而：

（8）

式中为管程总阻力，Pa;为沿程阻力，Pa;为回弯阻力，Pa;为进、出口连接管阻力，Pa;

（1）沿程阻力，可用下式（9）进行计算，计算结果为0.0028 MPa。

（9）

当Re<2000时，式中延程阻力系数可由下式计算。

（10）

公式（9）、公式（10）中各值的大小和意义如前所述。

（2）回弯阻力用下式（11）计算，计算结果为0.0025 MPa。

（11）

式中为管程数4，其余各值的大小和意义如前所述。

（3）进出口连接管阻力的可用下式（12）计算，计算结果为0.00024 MPa。

（12）

式中各值的大小和意义如前所述。

所以总摩擦阻力约为0.006 MPa。

4 两种结构型式相变炉的结构比较

通过2.1节中的计算可以得出500 kW一体式相变加热炉的样本如图1所示，此种结构的炉体主体结构筒体规格为φ1420×10，长度为4000 mm;火筒规格为φ426×8，长为3000 mm;烟管为螺纹烟管，规格为φ57×3;每根烟管长为3000 mm，共20根;加热盘管选用无缝钢管，规格为φ57×5，总长度为60000 mm，压降约为0.082 MPa。整个加热炉重量约为8000 kg。

通过2.2节中的计算可以得出500 kW分体式相变加热炉的蒸汽发生器的样本结构如图2所示，此种结构的相变炉的蒸汽发生器筒体截面规格为φ1120×10，长度为3988 mm，火筒尺寸为φ426×8，长为3000 mm;烟管为螺纹烟管，规格为φ57×3;每根烟管长为3000 mm，共20根;总重量约为4300 kg。

500 kW分体式相变加热炉的加热器为浮头式换热器，其筒体截面规格为φ820×10，长度为4448 m，换热管规格为φ45×3，每根长度为3500 m，共72根。整个浮头换热器总重约为3500 kg。

另外500 kW分体式相变加热炉的扶梯平台的重量约为4000 kg，烟囱重量约为500 kg，保温重量约为800 kg。故设备总重量约为13100 kg，压降约为0.006 MPa。

通过上述的比较可以发现，一体式结构相变炉金属耗量较分体式相变炉少很多，且结构简单，安装方便，但是一体式相变炉加热盘管中介质的流速较分体式中快，流动阻力比分体式大，不适合于某些对介质流动压降有严格要求的场合使用。分体式相变炉虽然体积庞大，其起加热介质作用的浮头式换热器结构较复杂、造价较高，但是对于对压降有严格要求的场合，分体式相变炉的综合处理效果比一体式好。

5 结语

通过对额定功率为500 kW的相变加热炉进行一体式和分体式结构设计发现，两种结构型式的加热炉各有优缺点。对于介质流动压降范围可取较大值的场合推荐使用一体式相变加热炉，因为此种炉子较经济，体积较小、且易于安装、操作及维护。对于对介质在管程中流动压降有严格要求的场合，推荐使用分体式相变加热，因为此种结构炉子加热盘管的横截面较大，介质在管程的流速较小，从而压降也比较小。

参考文献

[1] 苏海鹏.新型相变加热炉的设计及应用[J].石油化工应用，2010，29（12）：93-97.

[2] 吕静，元玉兰.多井式天然气加热炉热力设计及其应用问题探讨[J].工业锅炉，2010（5）：1-4.

[3] 《油田油气集输设计技术手册》编写组.油田油气集输手册（下册）[M].北京：石油工业出版社，1994.

[4] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[5] 邓寿禄，王贵生.油田加热炉[M].北京：中国石化出版社，2011.

[6] 史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].4版.江苏：东南大学出版社，2009.endprint