胜利油田联合站在用水套加热炉高效运行分析

唐振 郑炜博 胡晓峰 杨秀丽 李炜

（1.中国石油大学（华东）；2.胜利油田技术检测中心）

胜利油田联合站在用水套加热炉高效运行分析

唐振1郑炜博2胡晓峰2杨秀丽2李炜2

（1.中国石油大学（华东）；2.胜利油田技术检测中心）

水套加热炉作为胜利油田联合站主要的耗能设备，其运行能效的高低对联合站能耗高低有直接影响。通过对联合站水套加热炉的定负荷下盘管传热、定燃料量下空气系数α与热效率的关系和定负荷下仿真计算的分析，得出联合站水套加热炉在定负荷运行下燃料完全燃烧时，空气系数越低能效越高。从而进一步得出结论：对于联合站水套加热炉在任意负荷下只要达到完全燃烧时的最低空气系数α就能实现其高效运行，为指导联合站水套加热炉的高效运行提供理论依据。

联合站水套加热炉；盘管传热；空气系数与热效率；仿真计算；分析

在胜利油田联合站生产运行中水套加热炉的作用通常是为保证介质出口温度，而忽视了加热炉的高效运行，导致加热炉能效低、能耗高，造成了燃料的浪费。通过对联合站水套加热炉定负荷下盘管传热分析结合加热炉定燃料量下空气系数与加热炉效率分析，就能得出水套加热炉高效运行的工况条件，从而对联合站水套加热炉高效运行采取合理的调节措施。

1 联合站水套加热炉定负荷下盘管传热分析

水套加热炉通过中间热载体水将热量传递给盘管中被加热介质，使被加热介质获得热量，温度升高。水套加热炉的盘管换热计算方程[1]如下：

式中：P——加热炉热负荷，kW；

Ac——盘管换热面积，m2；

Δtm——盘管的对数传热温差，℃；

k——盘管总传热系数，W/(m2·℃)。

对于同一台水套加热炉其盘管换热面积Ac是固定不变的，在定负荷状态下，若盘管总传热系数k升高，则盘管的对数传热温差Δtm必须降低才能满足联合站水套加热炉负荷不变。

对于盘管的对数传热温差[2]Δtm，由于水套加热炉盘管是浸泡在热载体水中的，所以盘管的对数传热温差Δtm计算如下：

当被加热介质为原油或天然气时，盘管的总换热系数k可由下式求得：

式中：αi——管内对流换热系数，W/(m2·℃)；

γi——管内污垢导热热阻，(m2·℃)/W；

γp——盘管壁面热阻，(m2·℃)/Wδ为盘管壁厚，m；λp为盘管壁面热导率，W/(m·℃)）；

γo——管外污垢导热热阻，(m2·℃)/W；

αo——管外对流换热系数，W/(m2·℃)。对于管内对流换热系数[3]αi，计算如下：管内液体或气体呈层流状态（Re≤2100；时，

管内液体呈过渡流状态（2.3×103＜Re≤104；1.5＜Pr＜500；0.05＜Pr/Prw＜20）时，

管内液体呈紊流状态（Re＞104；0.7＜Pr＜16.7×103）时，

式中：λ——被加热介质在平均温度下的导热系数，W/(m2·℃)；

Dic——盘管内直径，m；

Re——介质在平均温度下的雷诺数；

Pr——介质在平均温度下的普朗特数；

Prw——介质在壁面温度下的普朗特数；

μ——介质在平均温度下的动力黏度，Pa·s；

μw——介质在管壁温度下的动力黏度，Pa·s。

对水套加热炉而言，其盘管结构、尺寸以及排列方式对管内对流换热系数的影响是固定不变的；又因为联合站水套加热炉被加热介质的进出口温度变化不大，导致定负荷状态下其介质流速和平均温度变化不大[3]。综上两个原因，定负荷下影响联合站水套加热炉盘管内对流换热系数变化的主要参数是μw和Prw，且在层流和紊流状态下管内对流换热系数αi随μw增大而减小，在过渡流状态下管内对流换热系数αi随Prw增大而减小。

μw和Prw分别为介质在管壁温度下的动力黏度和介质在壁面温度下的普朗特数，两者与水套加热炉盘管内壁面温度呈单调递减关系；盘管内壁面温度与水浴温度t2呈单调递增关系。根据函数关系传递性可知，μw和Prw与水浴温度t2呈单调递减关系，则管内对流换热系数αi与水浴温度t2呈单调递增关系。

对于管壁的导热热阻γp，盘管壁厚δ不变，盘管壁面热导率λp随水浴温度t2的增大而增大，导致管壁的导热热阻γp与水浴温度t2呈单调递减关系；对于管内污垢导热热阻γi和管外污垢导热热阻γo，两者与水浴温度t2呈单调递减关系。

对于管外对流换热系数αo，由于水套加热炉盘管是浸泡在热载体水中，导致水套加热炉盘管的管外对流换热系数αo与Gr·Prw（Gr为格拉晓夫数；Prw为热载体水在平均温度下的普朗特数）呈单调递增关系；在剔除水套加热炉结构及其尺寸的影响下，管外对流换热系数αo与水浴温度t2呈单调递增关系。

综合以上原因可知，联合站水套加热炉盘管的总换热系数k与水浴温度t2呈单调递增关系。结合盘管的对数传热温差Δtm与水浴温度t2的关系，最终得出定负荷下联合站水套加热炉盘管的总换热系数k与盘管的对数传热温差Δtm呈单调递增关系。

根据式（1），结合上述分析可知，在定负荷状态下联合站水套加热炉盘管的对数传热温差Δtm、盘管总传热系数k和水浴温度t2是不变的。进一步得出在满足定负荷下，联合站水套加热炉的燃料量和空气系数不论是多大，其炉内综合传热量（火筒和烟管传热量）是不变的。

2 定燃料量下空气系数α与加热炉效率关系分析

加热炉是将燃料的化学能转化为被加热介质的热能，其能量平衡公式为

式中：qf——燃料带入炉内的热量，W；

q1——加热炉有效利用热量，W；

q2——加热炉排烟热损失，W；

q3——气体不完全燃烧热损失，W；

q4——固体不完全燃烧热损失，W；

q5——表面散热损失，W。

设qi为炉内综合传热量，则

其中q1=P，对于炉内综合传热量qi其大小主要受炉气温度Tg的影响，炉气温度越高其综合传热量越大；对于定燃料量下的加热炉，当空气系数α刚好满足完全燃烧时炉气温度最高，排烟损失最小。以此类推，在任意燃料量下，当空气系数α刚好满足完全燃烧时，加热炉排烟损失最小，加热炉效率最高。这也与文献[4]结论相似。

当燃料完全燃烧时，其能量平衡式为

对于定负荷下运行的水套加热炉其炉内传热量qi变化不大，这就导致如果想使定负荷下水套加热炉高效运行，必须降低排烟损失q2。结合定燃料量下空气系数α与加热炉效率关系分析，当空气系数α刚好满足完全燃烧时定负荷下运行的水套加热炉效率最高。以此类推，水套加热炉在任意负荷下，当空气系数α刚好满足完全燃烧时，水套加热炉运行效率最高，能耗最低[5-6]。

3 定负荷下仿真计算分析

通过对额定负荷为200 kW的加热炉完全燃烧下仿真计算分析，得出定负荷下联合站水套加热炉效率随空气系数的变化关系（图1）；定负荷下联合站水套加热炉的炉内综合传热量随空气系数的变化（表1）。任意加热炉负荷下，当空气系数α刚好满足完全燃烧时，定负荷下运行的水套加热炉效率最高。

图1 定负荷下空气系数对热效率的影响

表1 定负荷下空气系数对热效率的影响

由表1可知，在定负荷条件下，联合站水套加热炉的炉内传热量变化不大。

4 结论

1）在满足定负荷下，联合站水套加热炉的燃料量和空气系数不论多大，其炉内综合传热量（火筒和烟管传热量）变化不大。

2）对于任意燃料量下，当空气系数α刚好满足完全燃烧时，加热炉排烟损失最小，加热炉效率最高。

3）通过对水套加热炉定负荷下盘管传热分析并结合加热炉定燃料量下空气系数α与加热炉效率分析，得出联合站水套加热炉在任意负荷下当空气系数α刚好满足完全燃烧时，水套加热炉的能耗最低、运行效率最高。

[1]邓寿禄，王贵生.油田加热炉[M].北京：中国石化出版社，2011：124-125.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：474-477.

[3]石油规划设计总院.火筒式加热炉热力与阻力计算方法：SY/T 0535—1994[S].北京：石油工业出版社，1994.

[4]袁宝歧，蔡惕民，袁名炎.加热炉原理与设计[M].北京：航空工业出版社，1989：83-89.

[5]邢航，刁福俊，冯艳丽.水套加热炉传热计算优化及应用[J].石油天然气学报，2014，36（8）：200-203.

[6]于彩霞，曹伟武，严平，等.天然气加热炉的热力计算与分析[J].上海理工大学学报，2008，30（1）：59-63.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.005

2017-01-19

（编辑 张兴平）

唐振，中国石油大学（华东）（储运与建筑工程学院能源与动力工程专业），在读研究生，E-mail：877232125@qq. com，地址：山东省青岛市黄岛区长江西路66号工科楼D513室，266580。