相变换热技术在油气集输加热设备中的应用

陈昱希

摘要：传统的管式加热炉和水套炉，以其加热均匀等优势，在油气集输工程中得到广泛的应用。随着能源日趋紧张以及各油气田能源政策的调整，传统的管式炉和水套炉，以其水容量大、升温慢、外型尺寸大、钢材耗量大、成本高、耗能高等缺点，将逐渐被新一代加热设备所取代。一方面，随着传热理论与技术的不断发展和进步，将相变换热技术应用于加热设备的相变加热炉，不但有效的解决了传统加热炉换热元件传热效率较低的问题。同时相变加热炉在制造、运行成本和热效率方面比传统加热炉有很大的优势，近几年在油气田集输工程中得到快速的发展和应用。本文分析了相变换热技术的特点，介绍了真空相变加热炉的工作原理和应用。

关键词：油气集输加热；相变换热；真空相变加热炉；系列产品；应用

1相变换热的技术特点

（1）相变锅炉在实际运行时，可以采用较低压力的中间热媒体，汽化潜热比较大，可以减少换热管的传热面积，由于换热管外部为冷凝换热，内部为被加热介质的强迫对流换热，所以即使采用一般的碳钢管，传热系数也很大。（2）相变锅炉在停运后再启动时，需适当排出少量蒸汽而将漏人的空气带走。由于排除空气时要带走一定蒸汽，锅炉水位会有少量下降，水位降至最低允许水位之前，应补充中间热媒水，使水位升高至最高允许水位。运行实践表明，如果中间热媒水采用洁净自来水，在一个采暖期内就不需要采取排污措施，因在一个采暖期内，中间热媒水的硬度和盐浓度增加不多，不会超过防止结水垢的允许值。（3）相变锅炉在系统水质欠佳条件下，因与火焰、高温烟气接触的受热面不与循环介质直接接触，所以安全可靠性得到了根本的改善。而传统的行业用加热炉需配备专门的水处理设施，如果水质不达标，加热炉在运行较长时间后，传热元件易结水垢，导致过热变形或氧化并造成减薄、穿孔或开裂等现象的发生，更为严重的是，传热元件结水垢后影响传热，浪费大量的能源。而相变加热炉在采用洁净自来水的情况下，能有效解决上述问题

2相变加热炉工作原理

加热炉采用相变换热技术，即将加热炉壳体内封闭空间分为气化空间和相变空间，通过燃料的燃烧加热壳体内水介质产生蒸汽，蒸汽上升到相变空间与低于饱和温度的换热管接触，凝结放出相变热，即气化潜热，将热量通过换热管传递给管内被加热介质，蒸汽冷凝放热后冷凝回气化空间，如此循环往复的将热量传递给换热管内被加热介质。相变加热炉通常采用蒸汽横掠水平管进行换热。在相变换热过程中，蒸汽的凝结通常有膜状凝结和珠状凝结。然而在实际工程应用中，由于珠状凝结不能够长久的保持，一般认为蒸汽的凝结主要是膜状凝结。因此，相变加热炉从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能以膜状凝结的相关计算公式作为设计的主要依据。相变加热炉主要特点是炉内热媒温度基本保持不变，并在相对较小的温差下，达到较高强度的放热和吸热的目的，因而加热炉外形尺寸相对缩小。运用相变换热技术的加热炉，由于壳体内水介质能够往复循环使用。因此，相变加热炉无需经常补水，也就减少了壳体内及水介质的氧含量，有效的减轻了壳体金属的氧腐蚀，增加了设备的使用寿命。

3相变加热炉工程应用

3.1真空相变加热炉的工程应用

实际工程应用中，真空相变加热炉的换热器可根据实际情况或用户要求选择热交换器形式与结构。如图1为一体式真空相变加热炉结构简图。真空相变加热炉在运行过程中，换热器所在的上部空间既是相变空间，也是真空室。加热炉启动后，燃料燃烧产生的热量通过炉胆和烟管传给水介质，水介质在炉内真空状态下产生蒸汽，与在真空室内的换热器进行相变换热，然后凝结水回流到气化空间，如此往复进行，完成传热过程。

真空相变加热炉在运行的过程中，炉体的内部压力一般处于-0.02MPa～0.08MPa的真空状态下。炉内的水介质是脱氧的软化水，无腐蚀，无水垢。另一方面，加热炉在运行过程中，水介质始终可以循环使用，不会增加新的含氧空气，不至于发生氧腐蚀现象，从而使加热炉寿命长相对较长，因此安全性能相对较高，基本无安全隐患。真空相变加热炉在设计中采用模块化结构，设备结构紧凑，安装简便，设备体积小，使产品易于运输、安装，与相同负荷的传统加热炉相比较，是一种高效、节能、环保、低成本类产品，根据实际应用，一台1000kW真空相变加热炉一天可节省燃料油约0.64吨。

3.2分体式相变加热炉的工程应用

由于适应大负荷和不同模块的可更换替代性，分体式相变加热炉得到了广泛的应用。既可采用真空相变，也可采用带压相变。如图2所示为一分体相变加热炉。分体式相变加热炉主要由炉体和换热器组成。炉体结构借鉴锅壳锅炉的设计理念，换热器结构可采用列管、盘管型式，还可应用标准型式换热器。蒸汽通过专门的管路进入上部换热器壳体，在换热器壳体内完成相变换热过程，然后通过冷凝管路返回下部炉体内。分体式相变加热炉在设計时充分考虑了设备荷重和安装现场的条件、风载和换热器运行振动等因素。为保护下部炉体不承受外加载荷，以免造成炉体受损，采用了无受力分体结构方案。即炉体与换热器之间只进行汽水介质的能量传输，换热器的重量则通过钢结构传递给基础，而炉体完全不受外部载荷，炉体与换热器采用金属波纹管法兰软连接。炉体和换热器可以根据使用情况分别进行更换，有效地提高了设备整体的使用寿命，降低了投资和运行成本。

4结语

采用相变换热技术，加热炉在金属耗量和热效率方面有了很大的改进，可以很好地取代传统加热炉进行油田地面集输系统油气水及其混合物的加热，适合油田油气集输的生产和经营管理要求与发展趋势。真空相变加热炉，属于常压类容器，简化了报批、年审等手续，操作无需持证。同时真空加热炉以其高效、节能、经济，具有体积小、升温快，热效率高、安全可靠、管理方便的优势，目前已经在各大油田得到了广泛的应用。

参考文献：

[1]GB/T21435-2008，相变加热炉[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]真空加热炉技术现状简述[J].陈佳琪，李琪，冷德成.化工装备技术.2017（02）endprint