天然气管道加热用浸没燃烧换热器设计及应用研究

王海坡

（天津城建大学，天津 300384）

1 我国天然气管道加热技术发展现状

我国天然气管道加热除了使用浸没燃烧换热器之外，还可以使用锅炉水浴加热、辐射加热、电磁加热等方法，每种天然气管道加热都有其各自的优缺点，但是总体来说浸没燃烧转换器在技术方面更加先进一些。锅炉水浴加热技术直接将锅炉装置和水浴装置进行分离，再通过锅炉房对天然气管道进行加热，这种加热技术比较简单所以应用范围比较广。但是锅炉水浴加热技术需要额外布置锅炉厂房，因此占地面积比较大是该技术的缺点。辐射加热利用辐射本身的特性，可以直接对低温天然气管道进行加热，但是该技术对设备和厂房都具有较高的要求［1］。而电磁感应加热技术主要用于解冻调压器，因为该技术的耗电非常大而且加热能力有所不足，所以一般在调压器出现冻堵问题之后才会采用该技术。浸没燃烧换热器加热使用LNG气化工艺，不需要额外建造厂房就可以保持对天然气管道的高效加热，而且该加热技术的排放物污染比较低，因此浸没燃烧换热器加热技术具有领先优势适合大范围推广。

2 天然气管道加热用浸没燃烧换热器工作原理

天然气管道加热时，天然气管道从水浴箱体中通过，水浴箱体包括燃烧室、烟管、鼓泡孔、浸没燃烧换热器、烟气排放口等装置，而风机存在与水浴箱体外。风机将燃气和空气混合通入浸没燃烧换热器装置中的燃烧室，然后燃烧室通过烟管将高温烟气从鼓泡孔排出，浸没燃烧换热器将高温烟气携带的热量传递到水浴箱体的水中，最后天然气管道被水浴加热，而烟气直接从上方管道排出，这样浸没燃烧换热器即可利用高温烟气完成对天然气管道的加热［2］。

3 天然气管道加热用浸没燃烧换热器设计

3.1 浸没燃烧换热器参数设计

天燃气管道加热用浸没燃烧换热器主要设计功率、工作压力、天然气流量、水浴温度、天然气进出口问题等参数。而本文设计的浸没燃烧换热器功率为200kW、工作压力为Mpa，天然气管道每小时通过量为4000m3，水浴箱体中水体温度为60℃，假设天然气进出口温度分别为0℃和10℃。

3.2 浸没燃烧换热器结构设计

天然气管道加热用浸没燃烧换热器分别由汇管、蛇形换热盘管、天然气进出口等装置组成。浸没燃烧换热器过去采用单根螺旋结构，但是这种结构下管外对流换热效果不够好，而且无法降低烟气与水体接触过程中产生的扰动，因此本文在设计浸没燃烧换热器结构时选用多根蛇形换热盘管结构代替传统的单管螺旋结构，这样浸没燃烧换热器的换热效果得到提高，而且可以降低水体的扰动情况。天然气从汇管入口进入、从汇管出口流出，经过蛇形换热盘管即可将天然气的温度增加至设计参数指标。

3.3 浸没燃烧换热器设计中的计算

3.3.1 管外对流传热

高温气体加热的效果远不如水浴加热的效果明显，所以天然气管道加热并不会直接采用高温烟气对浸没燃烧换热器加热，而将高温烟气的热量传递给水体，再由水体完成对浸没燃烧换热器的加热应用的就是管外对流加热的原理。管道对流加热的换热量＝管外对流换热系数×（管外水箱水浴温度－蛇形换热盘管外表面平均温度） ×蛇形换热盘管外表面面积，其中管外对流换热系数＝努塞尔数×蛇形换热盘外外径／水导热率。而努塞尔数＝0.4×管外流体雷诺数0.6×管外流体0.36×（管外流体普朗特数／管外管壁流体普朗特数）0.25，其中雷诺数可以用于水箱中水体冲刷蛇形换热盘管的流速进行计算，这样即可计算出管外对流传热的换热量。

3.3.2 管壁导热

蛇形换热盘管在水浴加热过程中会完成对天然气的加热，其中天然气加热使用的是蛇形换热盘管内表面的热量，而水浴热量直接传递到蛇形换热盘管的外表面。因此蛇形换热盘管的管壁导热量＝（蛇形换热盘管外表面平均温度－蛇形换热盘管内表面平均温度）／［1／（2π×水导热率×蛇形换热盘管的长度）×ln（蛇形换热盘管外径／蛇形换热盘管内径）］。

3.3.3 管内对流传热

蛇形换热盘管内表面对天然气加热时，换热量的多少与天然气的流速具有直接关系，流速越快则加热的效果越不明显。加热过程中换热量＝管内对流换热系数×（蛇形换热盘管内表面平均温度－蛇形换热盘管内天然气平均温度） ×蛇形换热盘管内表面积总和，其中管内对流换热系数＝0.023×管外流体雷诺数0.8×管外流体普朗特数0.4。而蛇形换热盘管内部弯曲管段会对管内对流传热效果造成一定的影响，所以管内加热换热量最终结果还需要与管道弯曲修正系数的值相乘，而管道弯曲修正系数＝1＋1.77×蛇形换热盘管外径／管道弯曲半径。

3.3.4 综合传热系数

如果天然气管道加热过程中不考虑污垢热阻产生的影响，则可以得到浸没燃烧换热器的综合传热系统设计值＝1／［1／（管外对流换热系数×π×蛇形换热盘管外径） ＋1／（2π×水导热率） ×ln（蛇形换热盘管外径／蛇形换热盘管内径） ＋1／（管内对流换热系数×π×蛇形换热盘管内径）］。但是考虑到天然气实际进出口温度、天然气流速、水箱水体温度等参数可以直接测量，因此综合传热系数的实际结果＝蛇形换热盘管内部天然气质量流量×天然气进出口焓差／［蛇形换热盘管外表面面积×（管外水箱水浴温度－管内天然气平均温度）］。

3.4 浸没燃烧换热器设计计算结果

由于浸没燃烧换热器装置内部结构比较紧凑，水箱中水浴温度基本保持一致，因此需要对浸没燃烧换热器蛇形换热盘管内天然气实际换热量和水侧管外的换热量结果进行计算，如何二者结果相近则计算结果符合设计要求。本文对浸没燃烧换热器进行设计计算之后，得到各项参数结果如下：管内对流换热系数＝4968.72W· （m2·K）－1；天然气侧污垢热阻＝0.002W· （m2· K）－1；管 外 对 流 换 热 系 数 ＝19393.70W· （m2·K）－1；水侧污垢热阻＝0.0004W· （m2·K）－1；综合传热系数＝1095.70W· （m2·K）－1；弯管平均修正系数＝1.30；管壁导热热阻＝639.59W· （m2·K）－1；实际面积＝3.93m2；传热安全系数＝1.20；弯管排数修正系数＝0.95.

4 天然气管道加热用浸没燃烧换热器应用

4.1 浸没燃烧换热器装置

4.1.1 燃烧系统

天然气管道加热用浸没燃烧换热器燃烧系统主要将高温烟气中的热量传递到水箱水体中，高温烟气由燃气和空气混合气体燃烧产生。如果风机在通入燃气之前采用预混合技术先将空气和燃气混到一起，然后保证混合燃气在零下情况下通入燃烧器，则可以保证燃气充分燃烧，最后产生的高温烟气将热量传递到水体之后不会对环境产生太大污染，预混燃气技术可以保证燃烧系统的空燃比不受其他因素影响。

4.1.2 换热系统

天然气管道加热用浸没燃烧换热器换热系统主要将高温烟气热量换成水热量、水热量换成天然气热量。其中高温烟气热量可以通过鼓泡孔直接转换成水热量，而不用先经过传输再进行转换，换热过程越直接则损失的热量越少。锅炉水浴加热在换热过程中损失了大量热量，而高温烟气的换热效率可以达到90%以上。而水热量转换成天然气热量主要通过蛇形弯管，弯管与水体的接触面积越大传热效果就越好，所以蛇形弯曲盘管取代了螺旋单管。

4.1.3 控制系统

天然气管道加热用浸没燃烧换热器控制系统主要对换热器、水箱水体液位、水箱水体温度、水箱水体pH值、烟气排放浓度等因素进行监控。为了提高控制系统的效果，可以通过自动化技术设置各个因素的临界点，当浸没燃烧换热器各个因素的参数超过临界值时，直接在自动化技术下进行调控，同时向后台操作人员发出警报，以防浸没燃烧换热器在加热天然气过程中出现安全问题。控制系统应该设置各种传感器用来监控温度、浓度、pH值等参数，同时设置智能化控制开关，为了安全起见控制系统最好独立接入电源，防止电力系统影响浸没燃烧换热器的安全运行。

4.2 浸没燃烧换热器应用效果

4.2.1 热工性能

该供暖站使用功率200kW 的浸没燃烧换热器持续工作4天，高压管道天然气实际通过流量为1.424×104m3／h，满足4000m3／h的设计要求，最终该浸没燃烧换热器保持在100kW 的功率稳定运行，天然气实际温度从0℃上升到11.5℃，该装置加热效率符合要求。

4.2.2 安全可靠

天然气管道加热用浸没燃烧换热器通过报警装置保护了工作人员和天然气加热系统的安全。当实际工作环境中某个设备参数超出临界范围或者设计范围之后，报警装置会立即切断浸没燃烧换热器的正常运行，同时发出声光报警信号。

4.2.3 排放性能

天然气管道加热用浸没燃烧换热器装置燃烧室性能良好，经过预混合技术之后空气和燃气比例达到1.8，高温烟气排放产物中氮氧化合物的浓度在8mg／m3左右，远小于辽宁地区150mg／m3的要求，设置要求最高的北京、郑州、西安等地区的30mg／m3要求也可以得到满足。

5 结语

综上所述，天然气管道加热用浸没燃烧换热器技术具有成本低、污染小、占地小、维护容易、加热效率高等优点，因此该技术具有广泛应用前景。供暖站有必要使用该技术取代传统的锅炉水浴加热技术，减少天然气加热的成本，提高供暖实际收益，防止调压器出现冻堵问题影响正常供暖工作。