旋转涡流加热炉节能性能评价

孔庆伟 韩相忠（.西安恒旭科技发展有限公司；.西安建筑科技大学）

旋转涡流加热炉节能性能评价

孔庆伟1韩相忠2（1.西安恒旭科技发展有限公司；2.西安建筑科技大学）

加热炉是油气田生产中广泛使用的重要设备之一，也是油气田生产中的主要能耗设备，在低油价面前如何降本增效是关键。通过优化加热炉结构，规范配置与运行管理，设计出一种全新的旋转涡流加热炉。这种炉型是在水套炉基础上，加以创新成为直接加热炉，既保留了管式炉的优点，又不结焦、不结垢、不腐蚀，重量和体积仅是水套炉的二分之一，提高了加热炉运行效率，对实现节能降耗有十分重要的意义。

加热炉；旋转涡流；结焦结垢；传热性能

油田水套炉属于间接加热炉，作为热媒的水沸点低，一般为100℃上下，与被加热原油之间的温差为30～50℃，由于温差小，相应的传热面积大。过去为了提高水浴温度使用添加剂，为了提高传热系数采用超导液，真空相变换热等技术。由于这些措施效果不显著，加上操作和经济等原因，使一些技术难以应用[1]。

旋转涡流加热炉是在水套炉基础上，加以创新成为直接加热炉，由于传热温差大，传热系数高，升温快，使平均表面负荷从水套炉的10～13 kW/m2增加到20～30 kW/m2，可大幅度减少炉管换热面积。这种炉型既保留了管式炉的优点又不结焦、不结垢、不腐蚀，重量和体积仅是水套炉的二分之一。

1 旋转涡流加热炉结构

该炉由燃烧系统和换热系统组成，燃烧系统由火筒和烟管构成单回程，燃气在火筒内完全燃烧，再通过烟管返回，汇聚在一起由烟囱排出。换热系统不设换热盘管，而是一个由火筒和外套管组成的带螺旋导流板的夹套，在夹套间进行高温烟气-原油换热。如果加热高压油气，在夹套内还要设加热盘管，管内走原油，夹套腔内走强制循环的高温热媒。在燃烧火焰的最高温度区设火筒外壁面温度检测热电偶，电偶的热端牢牢焊在火筒外壁上，通过夹层套外管壁引出，在线测定火筒高温区的壁温。夹层套外筒分固定和移动两部分，用法兰连接。移动外筒下设滚轮和轨道，可以轻易地脱下移开。当加热易结垢、有腐蚀原油时，在内筒的外表面和旋流片的表面喷涂高温特氟龙。采用高压全自动燃气烧嘴，燃烧含轻油多的湿燃气，不会产生烟灰堵塞烟管（图1、图2）。

2 防结焦、结垢节能措施

1）加大流体流速，不出现流动死角。原油加热温度远低于结焦温度300～400℃，之所以结焦，不是因为加热温度过高，而是在局部管段流动过缓，传热效果差，管壁产生局部高温，结焦速度大于冲焦速度，恶性循环造成的。加大流速是解决结焦问题的首选方法，然而加快流速是和炉管压降相矛盾。旋转涡流加热炉的优点之一就是流动阻力非常小，实测数据为千帕级，这就为加大流速创造了条件。旋转涡流加热炉设计流速达3 m/s以上，在加热区完全没有流动死角，炉管结焦可能性很小，油中所含泥沙也很容易带走。

2）螺旋导流板技术。在内火筒和外筒壁形成的夹套空间内设螺旋导流片，使原油在夹套之间沿导流片高速螺旋前进，受热面受到液体的高速冲刷，与烟管多次碰撞，造成流体强烈扰动，形成旋转涡流，即使在雷诺数很小的情况下，也形不成层流和层流附面层，原油就不容易结焦和结垢。

3）原油与高温烟气顺流热交换。就是用冷油冲刷火筒的热表面，是降低火筒热端温度的有效手段，而火筒的最热端是最容易结焦的地方。

图1 旋转涡流加热炉结构

图2 旋转涡流加热炉现场应用

4）特氟龙涂层的应用。经过试验，特氟龙确有不黏、防垢防腐性能，在火筒的外表面和旋流片的表面喷涂高温特氟龙，使炉子有不结垢、不结焦和防腐性能。

5）火筒金属温度检测。在火筒的最高温度区，预埋热电偶，在线测定炉管壁温，一旦超温立刻关闭烧嘴。

6）热烟气循环技术。旋转涡流加热炉的燃烧系统单回程，将排烟一部分引入烟气的高温区，消除火筒进口段的局部高温，避免原油在此处结焦。

7）外套管可以脱去。露出火筒、烟管和旋流片，便于除焦和清垢，同时也便于维修。

以上安全措施不是每个加热炉都用，可根据情况取舍。

3 旋转涡流加热炉性能评价

3.1 传热性能

旋转涡流加热炉不但有很好的防结焦能力，而且具有良好的传热性能[2-4]，具体表现在：

1）直接加热，传热温差大，用较小的传热面积，获得较大的传热量。

2）采用螺旋导流板代替折流板，旋转涡流换热代替折流换热，换热系数提高30%，换热效果堪比缠绕换热器。

3）螺旋导流板相当于火筒加了翅片，增加附助传热面，降低火筒壁温度，提高了热效率。

4）原油加热炉传热的最大热阻发生在原油和壁面之间，旋转涡流换热会使这一热阻变得很小。

3.2 热力计算

旋转涡流加热炉因为是一种全新的炉型，设计中应进行必要的热力计算。炉内的传热过程，实际上是带螺旋板夹层套与流体之间的传热问题，其计算方法[5]如下：

1）螺旋导流板夹层套的传热准数方程：

式中：Nu——努塞尔准数；

de——水力当量半径，m；

α——夹套侧给热系数，W/m2·℃；

k——流体导热系数，W/m·℃；

Pr——普兰特准数，（Pr=2.8～8.5）；

Dn——迪恩准数，（Dn=720～5050）。

2）螺旋导流板夹套传热量的计算：

式中：Q——传热量，kW；

tf1——容器内介质温度，℃；

tf2——夹套内介质温度，℃；

K——传热系数；

F——传热面积，容器的外光表面积，m2；

3）螺旋导流板夹层套的流体阻力准数方程：

适用范围：Pr=3～8.5，Dn=660～4800。

式中： f——摩察系数。

用上述方程式计算结果与制造出的设备测试结果有很好的吻合。夹层套内的导流板对提高换热效率有很大贡献，其中雷诺数比直管和套管都大，甚至超过螺旋盘管。流道弯曲半径越小，雷诺数越大，迪恩数越大，给热系数就越大。

4 应用效果

1）原型机做好以后，经测试显现出很好的热工性能：升温快而降温慢，冷炉升温40 min，热炉20 min，油温从50℃降到40℃时间3 min，加热温度范围50～200℃。

2） 旋转涡流加热炉功率可从 30 kW做到300 kW，热负荷调节比±30%

3）传热效率高，大量节约钢材。以350 kW快速炉为例，耗钢量为1.4 t，相同功率的水套炉耗钢量4.87 t。

4）使用6个月脱去外套管观察，火筒表面未见结焦、结垢和腐蚀现象。

5） 表面热电偶在线测得火筒最高壁温45～50℃，远低于原油结焦温度（400℃）、火筒钢材的允许使用温度和特氟龙使用温度（260℃）。

6） 以光面为计算基准，允许表面负荷达30 kW/m2，水套炉为11～13 kW/m2。传热系数为0.44 kW/m2·℃，而水套炉的传热系数为0.14～0.23 kW/m2·℃。

7）旋转涡流加热炉热效率主要取决于排烟温度和表面散热量，由于炉子体积小表面散热量小；排烟温度在高于烟气露点温度下应尽量降低，新炉型降低排烟温度的办法是增加换热面积，也就是加热炉适当加长，新炉型在额定负荷下热效率为85%。

[1]邓寿禄，王贵生.油田加热炉[M].北京：中国石化出版社，2011：10-25.

[2]油田油气集输设计技术手册编写组.油田油气集输设计技术手册（上册）[M].北京：石油工业出版社，1994：60-72.

[3]化工部工业炉设计技术中心站.化学工业炉设计手册[M].北京：化学工业出版社，1988：33-52.

[4]王秉铨.工业炉设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010：15-44.

[5]古大田，陈志.螺旋导流夹套的传热性能和流体阻力研究[J].石油化工设备，1990（1）：8-11.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.03.007

2016-11-29

（编辑 杜丽华）

孔庆伟，工程师，2006年毕业于西安航空学院（机械制造及其自动化专业），从事技术开发工作，E-mail：kongqingwei@hxgx.com，地址：陕西省西安市唐延路35号旺座现代城C座1304室，710065。