水套加热炉热力计算方法比较

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(1.胜利油田分公司 技术检测中心， 山东 东营 257000；2.中国石油大学(华东) 储建学院， 山东 青岛 266580)

火筒式加热炉是为满足油田特殊需要而设计的一种专用加热设备，分为直接加热和间接加热(水套式)两种型式。水套加热炉具有使用安全、不易结焦的优点，成为井口、计量站、联合站等场所应用极为广泛的油气加热设备[1]。

水套加热炉主要由壳体、火筒、烟管、盘管及其他部件构成，其结构示意见图1。在水套加热炉工作过程中，火筒、烟管内的热烟气加热壳体内的水，水再加热盘管内的油气等介质。我国各油田及长输管道在用的水套加热炉超过2万台[2]，燃料消耗在集输系统能耗中占比最大[3]。

图1 水套加热炉结构示图

水套加热炉在石化行业应用广泛，在未出台新的热力计算标准前，水套加热炉的热力计算仍沿用SY/T 0535—94《火筒式加热炉热力与阻力计算方法》[4]。此外，也可按照一般通用燃油、燃气锅炉的热力计算方法进行计算[5]，如苏海鹏等[6]运用该方法设计了相变加热炉。文中分别利用这两种方法进行水套加热炉热力计算校核，发现了一些参数变化规律不一致的现象，分析了计算结果不一致的原因，并给出了建议。

1 两种热力计算方法研究手段

采用两种算法对同一台水套加热炉进行热力计算，以比较计算方法的合理性。无论采用何种算法，加热炉的计算过程都很繁琐，为此编写了两套水套加热炉热力计算程序，整个计算过程采用校核的方法进行，程序执行主体步骤为：①给定加热炉尺寸，计算火筒、烟管、盘管的传热面积、流通面积等结构参数。②根据给定的被加热介质流量、进出口温度等计算热流量Φ及水浴温度。③假定排烟温度，计算排烟等各项热损失，得到加热炉热效率、燃料耗量等数据。④假定火筒出口烟气温度，根据燃料带入热量和火筒出口烟气焓，计算火筒烟气单位时间放热量Φf。⑤计算火焰黑度、系统黑度、火焰温度和炉壁温度，进而计算基于假设火筒出口烟气温度的单位时间传热量Φf1。⑥判断Φf、Φf1两者相对误差是否在1%以内，如果不满足，返回④重新假设火筒出口烟气温度，再进行④～⑥的计算，直至满足要求。⑦由加热炉负荷、火筒单位时间放热量计算烟管单位时间放热量Φd，Φd=Φ-Φf。⑧基于排烟温度、火筒出口烟气温度计算传热系数、传热温差，进而得到烟管单位时间传热量Φd1。⑨判断Φd、Φd1两者相对误差是否在1%以内，如果不满足，返回③重新假设排烟温度，再进行③～⑨的计算，直至满足要求。两类热力计算方法中一些参数的计算方法不太相同，编程过程中会对上述计算步骤有所调整。

选用加热功率分别为200 kW、2 000 kW的水套加热炉进行两类算法比较，与传热相关的结构参数见表1。

表1 水套加热炉结构参数

2 两种热力计算方法结果比较

2.1 小过量空气系数

在锅炉的设计及运行中，过量空气系数是影响热效率最重要的参数[7-10]。水套加热炉是规模较小的锅炉，燃烧器相对简单，为了规避不完全燃烧对计算结果的影响，先进行了过量空气系数为1.3时的计算，此时燃烧基本完全[11-12]。

采用两种热力计算方法得到的过量空气系数为1.3时的加热炉热力计算结果见表2。表2中算法一指SY/T 0535—94中的算法，算法二指《燃油燃气锅炉》[5]中的算法。

表2 过量空气系数为1.3时水套加热炉热力计算结果

从表2中所列的计算结果来看，同样热负荷(加热功率)下，热效率、排烟温度及排烟热损失相差较小，两种算法差异不大，但是火筒出口温度及热流量差别较大。

2.2 大过量空气系数

通过增大过量空气系数，对比两种算法中加热炉关键参数，如热效率、排烟热损失，火筒出口烟气温度及排烟温度的变化规律，见图2。

图2 过量空气系数对两种算法加热炉参数计算结果影响

由图2看出，两种算法得到的加热炉热效率、排烟热损失变化规律是一致的，而火筒出口烟气温度、排烟温度的变化规律不一致。对于算法一，当过量空气系数由1.3增至1.8时，2 000 kW加热炉的火筒出口烟气温度从895 ℃降至837 ℃，排烟温度变化仅3 ℃；对于算法二，同样情况下，火筒出口烟气温度仅变化3.2 ℃，排烟温度则从208 ℃增至223 ℃。200 kW加热炉关键参数的变化规律相似，表明加热炉的热负荷对计算结果没有大的影响。

综上所述，随着过量空气系数的增加，两种算法得到的排烟热损失增加、热效率降低，算法一得到的火筒出口烟气温度降低、排烟温度变化很小，算法二得到的排烟温度增加、火筒出口烟气温度变化很小。可以看出，排烟温度、火筒出口烟气温度的变化规律明显不同。

3 两种算法热力计算结果差异分析

3.1 热流量计算

温度只是传热结果的反映，两种算法中热流量的计算有所不同。算法一中火筒、烟管的热流量计算式分别为式(1)、式(2)：

Φf=4.6×10-11Af(Thc4-Tw4)

(1)

Φd=0.9h1AsΔtm

(2)

式(1)～式(2)中，Af为火筒传热面积，As为烟管传热面积，m2；Thc为火筒出口烟气温度，Tw为火筒壁面温度，K；h1为烟气传热系数，kW/(m2·℃)；Δtm为烟管传热温差，℃。

算法二中火筒、烟管的热流量则分别由式(3)、式(4)计算：

(3)

(4)

式(3)～式(4)中，ab为筒壁黑度，一般取为0.9；ah为火焰黑度；Thp为火焰平均温度，K；r为污垢热阻，(m2·℃)/kW。

算法二用火焰平均温度计算火筒热流量。随着过量空气系数增加，理论燃烧温度快速降低，且火筒出口烟气温度几乎不变(图2c)，使火焰平均温度降低。不同加热功率下的火焰平均温度及理论燃烧温度变化规律见图3。

图3 火焰平均温度及理论燃烧温度变化规律

图4 加热炉火筒热流量变化规律

相比较而言，式(1)给出的热流量仅与火筒出口烟气温度相关，不考虑烟气中辐射成分体积分数对传热的影响(即选用了恒定的辐射传热系数4.6×10-11)，也就不能直接体现过量空气系数对传热的影响。在过量空气系数较小时，选定的辐射传热系数与实际比较相符，使得在过量空气系数为1.3时，两种算法计算结果相差不大。但随着过量空气系数增加，辐射成分体积分数降低，选用恒定辐射传热系数的做法越发不合适。

3.2 烟管热流量与过量空气系数关系

设过量空气系数增加后，对流传热系数增为h2，则由式(2)可知，传热系数增加为原来的h2/h1倍。而由式(4)可知，传热系数增为原来的(1+h1r)/(1+h2r)(h2/h1)。因h2>h1，所以算法一的传热系数增加得更快。这就意味着，随过量空气系数增加，快速增加的传热系数弥补传热温差降低后有剩余，导致烟管热流量增加，间接导致火筒热流量降低。对算法二，过量空气系数增加，火筒热流量减小幅度更大，烟管热流量必须增加更多，以保持恒定的热负荷。由于算法二的传热系数增加得慢，为了更多地增加烟管热流量，传热温差必须提高，从而导致算法二排烟温度提高(图2d)，这是算法二中热效率随过量空气系数增加降低更快的原因。

3.3 原因分析

用火筒出口烟气温度计算热流量，当过量空气系数小时，准确度比较高。当过量空气系数增大时，表现出的火筒出口烟气温度降低的现象与文献[13-14]中的规律不符。

算法一中的排烟温度几乎不受过量空气系数影响，此规律与实验测试不符(笔者对某台加热炉进行过测试，过量空气系数1.4、1.7、2.0对应的排烟温度分别是184.9 ℃、189.7 ℃、196.6 ℃)，算法二的结果则与实验测试规律一致。

对于算法一，火筒热流量计算式中反映不出火焰成分对传热的影响，表明该算法过于粗糙。算法一中，在任意过量空气系数下，烟管热流量计算式中的传热系数都取0.9h1显然不合适，因为这意味着随着传热系数增加，污垢热阻同比减小，而实际上污垢热阻不会减小。笔者认为算法二是更好的选择，但算法二比较繁琐，需要计算火焰黑度、系统黑度及火焰平均温度等参数，最好对算法二进行一定的简化，形成新的水套加热炉热力计算标准。

4 结语

在给定水套加热炉结构参数情况下，分别运用SY/T 0535—94和文献[5]中提供的两种热力计算方法，理论研究了过量空气系数对水套加热炉热工特性的影响。结果表明，①SY/T 0535—94中算法得到的规律是，随着过量空气系数的增加，排烟温度几乎不变，火筒出口烟气温度降低，热效率降低。文献[5]中算法得到的规律是，随着过量空气系数的增加，排烟温度增加，火筒出口烟气温度基本不变，热效率降低。两种算法得到的排烟温度、火筒出口烟温变化规律相反，与实验测试结果比对后发现，文献[5]中算法得到的结果正确。②在过量空气系数较大时，SY/T 0535—94中算法夸大了烟管传热能力，又没有考虑烟气辐射成分体积分数对火筒传热的影响，因而导致计算结果与实际不符。应采用文献[5]计算方法进行水套加热炉的设计计算，但是过程比较复杂。

为简化水套加热炉的设计过程，应结合文献[5]计算方法，形成新的热力计算标准。新的计算标准要考虑烟气成分对火筒辐射传热的影响，即建立系统黑度与过量空气系数间的关联式。还要考虑灰垢热阻对烟管对流传热的影响，即传热系数的计算式中应含有灰垢热阻项。

参考文献：

[1] 贺建国，李开连，鄢长颉，等．卧式可抽式水套加热炉研发及其应用[J]．石油化工设备，2016，45(2)：77-80．

HE J G，LI K L，YAN C J，et al. Development of the horizontal removable water jacket heating furnace and its application[J].Petro-chemical equipment，2016，45(2)：77-80.

[2] 霍伟杰，刁福俊，孟祥彬，等．换热面积与沸腾时间对水套加热炉优化的影响[J]．油气储运，2013，32(9)：948-950．

HUO W J，DIAO F J， MENG X B，et al. Impact of heat transfer area and boiling time on optimization of water jacket heater[J]. Oil & gas storage and transportation，2013，32(9)：948-950.

[3] 檀朝东，项勇，赵昕铭，等．基于大数据的油气集输系统生产能耗时序预测模型[J]．石油学报，2016，37(2)：158-164．

TAN C D，XIANG Y，ZHAO X M，et al. Energy consumption prediction and application in oil and gas gathering and transferring system production based on large data[J]. Acta petrolei sinica，2016，37(2)：158-164.

[4] 火筒式加热炉热力与阻力计算方法：SY/T 0535—94[S]．

Thermal and resistance calculation method about fire tube type heater：SY/T 0535—94[S].

[5] 赵钦新，惠世恩．燃油燃气锅炉[M]．西安：西安交通大学出版社，2000：303-331．

ZHAO Q X，HUI S E. Oil or gas-fired boiler[M].Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2000：303-331.

[6] 苏海鹏，杜胜华．油田燃油气相变加热炉设计计算若干问题[J]．石油化工设备，2014，43(6)：50-54．

SU H P，DU S H. Design and calculation of oil-fired and gas-fired phase chang heater in oil field[J]. Petro-chemical equipment，2014，43(6)：50-54.

[7] 李建刚，杨宏民，杨义波，等．电站锅炉实际运行状态下过量空气系数的研究[J]．锅炉技术，1999，30(5)：16-18．

LI J G，YANG H M，YANG Y B，et al. The calculation of excess air ratio for utility boiler in operation[J]. Boiler technology，1999，30(5)：16-18.

[8] 石久胜，彭飞，张炳文．一种过量空气系数在线模糊自寻优控制[J]．工业锅炉，2014(2)：9-13．

SHI J S，PENG F，ZHANG B W. The on-line self-operation fuzzy control to excess air coefficient of industrial boiler[J]. Industrial boiler，2014(2)：9-13.

[9] 刘焕章.电站锅炉炉内过量空气系数的计算[J].陕西电力，2010，38(2)：35-38.

LIU H Z. Calculation of the excess air ratio in boilers[J]. Shaanxi electric power，2010，38(2)：35-38.

[10] 付恩狄，田亮，张锷，等.过量空气系数对锅炉热量分配的影响分析[J].华东电力，2010，38(7)：1081-1083.

FU E D，TIAN L，ZHANG E，et al. Analysis of influence of excess air coefficient on boiler heat distribution[J]. East China electric power，2010，38(7)：1081-1083.

[11] 张伟，迟进华，徐明海．原油加热炉变工况运行热效率[J]．油气储运，2011，30(5)：352-358．

ZHANG W，CHI J H，XU M H. Running heat efficiency of crude oil heater under variable operating conditions[J]. Oil & gas storage and transportation，2011，30(5)：352-358.

[12] 张永学，魏晓明，吴力明，等．过量空气系数对立式圆筒加热炉效率与NOx排放规律的影响[J]．工业锅炉，2012(4)：22-26．

ZHANG Y X，WEI X M，WU L M，et al. Impact of air excess ration on thermal efficiency and emission law of pollutants NOx in vertical cylindrical tube furnace[J]. Industrial boiler，2012(4)：22-26.

[13] 赵俊杰，罗立权，吴豪，等．过量空气系数对燃煤电站锅炉热效率和脱硝的影响[J]．锅炉技术，2015，46(3)：30-34．

ZHAO J J，LUO L Q，WU H，et al. Effect of the excess air coefficient on boiler thermal coefficient and denitrification in coal-fired power plants[J]. Boiler technology，2015，46(3)：30-34.

[14] 陈立勋，曹子栋．锅炉本体布置及计算[M]．西安：西安交通大学出版社，1990：261-262．

CHEN L X，CAO Z D. Boiler proper arrangement and calculation[M]. Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，1990：261-262.