高原油田加热炉的数值模拟研究

2017-10-14李春保王雄兰海涛马金旭刘新宇

长江大学学报(自科版) 2017年19期

关键词：海拔高度热效率加热炉

李春保王雄兰海涛，马金旭，刘新宇

(中石油青海油田钻采工艺研究院，甘肃敦煌 736202) (荆州市明德科技有限公司，湖北荆州 434000) (中石油青海油田钻采工艺研究院，甘肃敦煌 736202)

高原油田加热炉的数值模拟研究

李春保王雄兰海涛，马金旭，刘新宇

(中石油青海油田钻采工艺研究院，甘肃敦煌 736202) (荆州市明德科技有限公司，湖北荆州 434000) (中石油青海油田钻采工艺研究院，甘肃敦煌 736202)

高原地区空气稀薄，对油田使用的燃气加热炉燃烧传热造成很大影响。通过建立典型燃气加热炉燃烧传热模型，对不同海拔高度加热炉燃烧传热过程进行数值模拟，研究海拔对加热炉性能的影响。同时提出多种高海拔高度条件下加热炉燃烧调节方案，并进行了加热炉燃烧传热模拟研究。计算出不同海拔高度下加热炉运行参数变化趋势，制定出不同调节方法，对于不同的生产要求设计出相应的加热炉运行模式，解决了高原油田燃气加热炉科学调度问题，为高原油田加热炉的优化运行提供了理论基础。

燃气加热炉；高原油田；数值模拟

相比于零海拔地区，高海拔地区的环境压力和气温都有明显变化，进而改变参与加热炉内流动和反应传热过程的工质物性，从而影响反应传热过程。以油田典型的燃气加热炉为研究对象，针对不同海拔高度对油田加热炉效率及炉内反应传热过程的影响，根据加热炉的结构特点，建立了相应的燃烧反应和传热模型，对不同海拔高度条件下的反应传热过程进行了数值模拟，提出了不同海拔高度下加热炉性能优化调整方案。

1 模型的建立

燃气加热炉炉内反应传热过程如图1所示。燃料天然气和空气以一定速度进入火管进行燃烧，天然气的化学能转化为烟气热能。燃烧过程中，火焰通过辐射传热给火管壁面，同时烟气通过对流换热传热给火管壁面，之后烟气流出火管，流出的烟气形成排烟损失。热量在火管壁面通过热传导从火管内壁面传到外壁面。火管和套管内的水之间进行自然对流换热将热量传给水。水通过自然对流换热传热给盘管，热量在盘管壁面通过热传导由盘管外壁面传到内壁面。在盘管内，热量通过对流换热由壁面传热给被加热介质(油、水)。低温被加热介质由入口进入盘管，在管内吸收热量变为高温介质由出口流出，完成整体加热过程。此外，套管中的水将热量传给套管，热量在套管壁面通过热传导由套管内壁面传到外壁面。在套管外，环境空气和套管进行自然对流换热，这部分热量形成散热损失。

2 计算条件

以HJ2500-YS/2.5-Q型套管燃气加热炉设计参数为零海拔时运行条件，假设燃料气为纯甲烷，加热炉完全燃烧，被加热工质为含油30%的油水混合物，计算燃气加热炉在不同海拔高度下运行数据。计算中所需的主要工况参数列于表1中，相关物性参数取自石油天然气行业标准和文献[4, 5]。

表1 主要模拟参数

在计算不同海拔工况时，燃料气进气密度、黏度和水的潜热按不同海拔进行调整。海拔升高，气压降低，气体密度降低，风速增大。风速的变化会使得燃烧器和风机性能偏离设计工况，从而产生额外能耗。因此设计了2种高海拔下的工况调节方案。

2.1维持燃烧器性能稳定

为了维持燃烧器的性能，不同海拔高度应调整燃料气流量，使燃料气工况流量与1个大气压时相同，进入加热炉的燃料气和空气体积之和在海拔高度变化时保持稳定。

由理想气体方程推导出燃料气工况流量计算公式：

(1)

式中：V1为当前燃料气工况流量，m3/h；V1atm为0海拔时燃料气流量，m3/h；p为当前海拔下大气压力，kPa；p1atm为0海拔时大气压力，kPa。

2.2维持风机性能稳定

为了维持风机性能，不同海拔高度应调整进气量，使风机总压头与1个大气压时相同，进气量决定燃料气流量。伯努利方程推导出进气气速：

(2)

(3)

式中：u2为当前燃料气工况气速，m/h；u1atm为0海拔时燃料气工况气速，m/h；V2为当前燃料气工况流量，m3/h；V1atm为0海拔时燃料气流量，m3/h。

3 结果与分析

3.1加热炉设计条件下的计算

图2为设计工况下热效率和热损失率随海拔高度的变化。由图2(a)可见，随海拔高度升高，加热炉的热效率是单调降低的。而总体热损失由散热损失和排烟损失组成，由图2(b)可见，这2种热损失趋势是不同的。散热损失是单调递增的，而排烟损失在海拔0～3000m是单调增加，在3000m以上已趋于平缓，甚至有降低的趋势。排烟损失一直明显高于散热损失。

图2 设计工况下加热炉计算结果

3.2维持燃烧器性能稳定时的计算

图3为维持燃烧器性能稳定时热效率和热损失率随海拔高度的变化。由图3(a)可见，与设计工况不同，基于维持燃烧器性能，随海拔高度升高，加热炉的热效率是单调上升的，这说明总体热损失率在单调降低。由图3(b)可见，散热损失随海拔单调递增的，而排烟损失则随海拔单调降低。在3000m海拔以下，排烟损失均大于散热损失，而在3000m海拔以上，散热损失已超过排烟损失，成为主要热损失。显然排烟损失随海拔降低是热效率随海拔升高的主要影响因素。

图3 维持燃烧器性能稳定时加热炉计算结果

3.3维持风机性能稳定时的计算

图4为维持风机性能稳定时热效率和热损失率随海拔高度的变化。由图4(a)可见，基于维持风机性能，加热炉的热效率先是在海拔1000m时微微降低，继而随海拔单调上升，这说明总体热损失率先(0～1000m时)升高后单调降低。由图4(b)可见，散热损失随海拔单调递增的，排烟损失随海拔单调降低，显然在海拔1000m时，散热损失的增加要大于排烟损失的降低；而在海拔1000m以上散热损失的增加均小于排烟损失的降低。图中显示排烟损失均大于散热损失，但延续这一趋势，在海拔4000m以上，排烟损失很可能降到散热损失以下。很显然，这里排烟损失随海拔降低也是海拔1000m以上热效率随海拔升高的主要影响因素。

图4 维持风机性能稳定时加热炉计算结果

图5 3种条件下热负荷计算结果对比

上述结果表明，不管是基于维持燃烧器性能进行调节还是基于维持风机的性能进行调节，海拔升高时，热效率相对设计工况均能得到改善，甚至提高。这2种调节方式的一个共同点是均降低了燃料进料量。图5对比了上述设计工况和2种调节方案下，加热炉热负荷随海拔高度的变化。可见0海拔以上，设计工况的热负荷>维持风机性能的热负荷>维持燃烧器性能的热负荷。设计条件下，热负荷基本保持不变，而在2种调节方案下，热负荷均随海拔上升而降低，这是因为随海拔升高，2种方案的燃料进料量均随海拔降低所致。而热负荷的降低会使得原油的处理量降低，从而达不到预期的原油加热要求。因此海拔升高，在进行工况调节时，除关注加热炉总体热效率外，还应考虑对热负荷的影响。在满足热负荷要求的前提下，对加热炉的操作工况进行调节，实现最优的热效率。