加热炉多流域传热模拟及热效分析

周岩 王春生

摘要：针对辽河油田设计的新型自然通风式加热炉传热特性及热效率不明确的问题，采用模拟结合计算的方法进行了研究。用Fluent模拟了三维炉体的实时传热情况;通过烟气温降值，分析了不同构件的换热能力;结合模拟结果采用正反平衡计算热效率，对不同入口温度、烟气入口流量、原油流量下的热效率进行分析计算。结果表明，新加热炉效率达90%以上，比老式加热炉热效率提高了近7%，不同构件的换热效果不同，横烟管使烟气产生温降效果最为明显，可使温降达到313 ℃，是炉内的重要换热构件，同时，没有发现炉体顶端集热现象，在不同热效率影响因素中，加热炉处理原油量的多少对热效率影响最大，可使效率波动达12%。研究结果对进一步完善加热炉的传热分析有参考价值。

关键词：传热学;加热炉;热效率;模拟;多流域

中图分类号：TE81文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx01002

ZHOU Yan，WANG Chunsheng.Multi-basin heat transfer simulation and thermal efficiency analysis of innovative heating furnace[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：7-12.Multi-basin heat transfer simulation and thermal efficiency

analysis of innovative heating furnace

ZHOU Yan，WANG Chunsheng

（Department of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract：In view of the unclear heat transfer characteristics of a new type natural ventilation heating furnace designed by Liaohe Oilfield， the simulation combined with calculation method is adopted. The real time heat transfer of the three dimensional furnace is simulated by Fluent， and the heat transfer capacity of different components is analyzed through the flue gas temperature drop. The thermal efficiency is calculated by the positive and negative balance methods combining with the simulation results， and the efficiency under the different inlet temperature， the inlet flow rate and the flow rate of crude are analyzed and calculated. The results show that the new heating furnace efficiency is over 90%， which is nearly 7% higher than that of the old heating furnace. The heat transfer effect of different components is different. The temperature drop effect of the flue gas caused by horizontal smoke pipe is most obvious， and the temperature drop can reach 313 ℃， so horizontal smoke pipe is an important heat transfer component in the furnace. At the same time， no heat collection at the top of the furnace is found. Among the factors affecting the thermal efficiency， the amount of crude oil processed by the heating furnace has the greatest influence on the thermal efficiency， which causes the efficiency fluctuation to 12%. The research result has some reference for further analyzing the heat transfer of reheating furnace.

Keywords：heat transfer theory; reheating furnace; thermal efficiency; simulation; multi-basin

遼河油田油气资源丰富，其中主要以稠油和超稠油为主[1]。稠油具有高密度、高黏度、高胶质和沥青质的特点。这种油品在不加热的条件下进行管道输送比较困难[2-5]，因此需要用加热炉对井口产出原油进行加热输送。辽河油田现有的加热炉效率一般在80%～83%，一些老旧加热炉甚至更低，而随着技术的进步，如今高效加热炉效率可达90%～94%[6]。笔者检测到现场加热炉的排烟温度高达250 ℃，通过对炉内对流段和辐射段进行观察，发现换热并不十分充分，且立式火筒炉的顶端存在轻微集热现象。针对上述问题，辽河油田的研发人员设计了一款新型自然通风式井场加热炉，对加热炉进行了结构上的创新改造，如超导体热管的应用、烟道长度的增加、上下横烟管交错放置等[7-10]。

对于新型加热炉，炉体设计是否合理，是否能达到良好的换热效果，热效率是否有所提高等都是现场所关心的问题[11]，因此，在正式投入生产前，有必要对新型加热炉进行传热特性模拟分析并估算其热效率。

1物理模型及网格划分

研究对象为反烧自然通风式小型加热炉，其尺寸和原理见图1，气体燃料燃烧放出的高温烟气沿着图中箭头依次流经水冷壁、横烟管、超导热管（上部区域），然后从下烟道折回，再沿着烟囱向上流动并排放到大气中。在流动过程中，高温烟气不断与媒介区的导热油换热，导热油再将热量传递给右侧的盘管，加热盘管中的原油。

此模型相对复杂，必须简化模型才能进行模拟计算[12-13]。由于加热炉工作时涉及到原油、导热油、烟气3种流体的流动，因此要将网格按照3种流域进行分部划分，划分后的3部分网格互相独立。为了能让流域之间进行能量传递，在Fluent中通过Interface couple-wall方式进行耦合[14-16]。简化模型及划分的网格见图2，最终网格数量为300万左右。

2传热及流场模拟

针对高温烟气入口温度为1 150 ℃、烟气流量为118 kg/h、原油流量为4 862 kg/h时的加热情况，采用瞬态模拟来模拟加热炉的加热过程，得到温度场和速度场随时间变化的场图如图3和图4所示。图3分别为30，60和120 s时刻的温度场，图4为初始时刻和稳定时刻的速度场。

从图3可知，开始时刻，烟气从燃烧室出来后温度降低明显，水冷壁为主的辐射段起到了重要的换热作用，同时，横烟管前段换热效果良好，侧热管换热效果也轻微体现，上热管还处于低温状态。热平衡状态时，炉筒内已完全被高温烟气充斥，辐射段换热作用十分明显，横烟管后排换热效果一般，最后一排温度约为525 ℃。超导热管换热效果较为明显，炉体尤其顶端并未产生热应力集中的情况。

从图4可看出，烟气平均以0.6 m/s流入加热炉，而在30 s（初始）时，烟气大部分聚集在加热炉下部，这是由于开始时刻炉子尚未加热，火筒内几乎被冷空气充斥，烟气首先要和冷空气对流换热并将冷空气顶出，导致流速变慢。120 s时，流场已达到稳定，烟气在进入炉筒时速度很低，在加热炉内速度逐渐变大，这是由于一定的烟囱高度产生的负压在起作用，负压使烟气在炉内不断被加速，最终烟囱出口烟气的速度约为6 m/s。

对烟气在流动过程中的温降情况进行统计可以看出不同构件的换热能力，从而考察炉体内是否存在热应力集中情况而影响加热炉的加热效率。模拟统计情况见图5。

燃烧室出来的高温烟气温度为1 116 ℃，四周环绕的16根水冷壁使烟气温度降低了250 ℃，然后经过相互交错摆放的119根横烟管，由于烟气和横烟管的接触面积最大，因此温降最为明显，下降了313 ℃。烟气流至顶端，与超导热管换热后从下烟道流出，超导热管增加了与烟气的接触面积，阻止了顶端发生的热量集中现象。接着，烟气流入20根下烟管，温度降低了150 ℃。最终烟气从烟囱流出时的温度为216 ℃。

3正反平衡热效率计算

采用正反平衡法进行热效率计算。正平衡是直接通过计算被加热介质吸收的热量占据燃料放出的热量的比例得到[17-18]，η1=D（hout-hin）BQin×100%，其中D为被加热介质流量，kg/h;hout，hin分別为被加热介质出、入口质量焓，kJ/kg;B为单位时间内加热炉燃料消耗量，kg/h;Qin为燃料低位热值，kJ/kg。

反平衡是间接通过计算加热过程中损失的热量占据总放出热量的比例得到。η2=100%-（q2+q3+q5），其中q2=（Hpy-Hlk）Qin×100%，为排烟损失，Hpy，Hlk分别为排烟处烟气焓和冷空气焓，kJ/kg;q3为燃料化学不完全燃烧损失，%，由于采用清洁燃料，所以此项为0;q5=QsBQin为散热损失，%;Qs为通过外表面散失的热量，kJ/h。

正平衡和反平衡的基础计算数据分别见表1和表2。

通过计算，得到了正平衡热效率

η1=D（hout-hin）BQin=4 860×（169.6-92.9）8.014 8×51 489.74≈

90.33%，反平衡效率

η2=1-（q2+q5）=1-（5.97%+3.65%）=

90.38%。

可以看出，正平衡与反平衡算法得到的效率值近似相等，验证了计算的准确性;该加热炉的热效得到了明显的提高，相比于老式自然通风加热炉，效率提高了7%左右。

4热效率影响因素的分析

加热炉的热效率会随着工况变化而改变，本文研究了燃烧负荷（进口温度、流量）和原油流量对热效率的影响。

4.1烟气入口温度对热效率的影响

考虑了加热炉可能欠负荷或过负荷运行，给出如下计算方案：温度在1 000～1 400 ℃之间，等间距取9组数据，结合模拟得到的入口、出口质量焓值，采用反平衡热效率计算方式，分别计算热效率，得到排烟损失和散热损失的变化（见图6）及热效率变化（见图7）。

从图6可看出，温度在1 000～1 050 ℃之间，散热损失和排烟损失均较小，而后又均保持不变，表明加热炉在由欠负荷向正常负荷工作状态转变，在1 050～1 250 ℃区间为加热炉正常工作负荷范围。高于1 250 ℃后，两种损失陡然增加，说明此时加热炉已经处于过饱和工作状态，没有能力充分地吸收烟气热能。

从图7可看出，加热炉在正常工作负荷区间，效率可以稳定在90%以上;烟气入口温度为1 150 ℃时，热效率最高为90.23%;同时发现，在欠负荷或过负荷运行状态，热效率均低于90%，且随着加热炉烟气入口温度的升高，热效率直线降低。

4.2烟气的入口流量对热效率影响

烟气性质一定时，烟气流量越大，携带热量越多，传递给原油的热量也越多，但同时，通过炉壁向大气散发的热量也会增加，排烟量也会加大[19-20]。因此，本节选取了烟气流量在112～137 kg/h区间的9组数据进行热效分析，确定出最合适的入口烟气流量，得到最佳加热炉热效率。散热损失、排烟损失以及热效率的变化趋势见图8—图10。

由图8可知，流量在112～118 kg/h之间，炉壁温度缓慢升高，但散热损失逐渐减小，这是因为此时加热炉处于欠饱和工作状态，烟气携带的热量没有被需要加热的介质充分吸收，炉内强制对流换热不充分，散热损失偏大;在127 kg/h往后，散热损失和炉壁温度均快速升高，说明加热炉处于过饱和工作状态。

由图9可知，排烟损失的变化与排烟温度呈现相同趋势，排烟温度升高，单位质量烟气携带的热量必然增大，排烟损失也会升高;在流量127 kg/h往后，排烟损失则表现为大幅度上涨，说明此时加热炉由排烟带走的热量占比越来越大，加热炉过负荷运行。

由图10可知，该加热炉的正常负荷运行时对应的烟气入口流量区间为112～127 kg/h， 效率可达90%以上，高于127 kg/h时为过负荷运行。模拟分析得到加热炉的烟气入口最佳流量为118 kg/h，此时热效率可达90.43%。

4.3原油流量对热效率的影响

一般来讲，原油流量越小，盘管中原油进出口温差就越大，但这并不代表加热炉的热效率就越大，热效率与待加热的原油的性质、流量等有密切关系[21]。原油性质见表3。分别统计单盘管流量为2～3.2 m3/h时的9组加热炉热效率情况，见图11。

由图11可知，上、下盘管的出口温度均随着原油流量的增加而降低，这说明原油流量越大，升温越慢，原油加热能够达到的温度越低，平均表现为流量每增加280 kg/h，出油温度降低1 ℃左右;加热炉热效率随着原油流量的增加而呈现先急剧升高后平缓上升最后趋于稳定的趋势。这说明，在流量小时，单位时间内原油吸收热量少，这是因为原油的比热容随着温度升高而升高，原油通过吸收热量提高自身温度的能力会变弱，因此表现为加热炉热效率低;在原油流量逐渐加大过程中，原油温度逐渐降低，比热容也降低，升高1 K吸收的热量变少，从而原油吸热升温能力变强，因此加热炉热效率变大;当最终原油流量达到一定值时，加热炉热效率趋于稳定，此时原油吸收热量能力接近饱和状态，因此热效率不再升高。热效率从81.26%升高到93.38%，变化了12%左右，说明原油流量对加热炉热效率的影响较大。

5结论

针对辽河油田设计的新型自然通风式加热炉的传热特性及热效率不明确的问题，采用模拟结合计算的方法进行了研究，得出以下结论。

1）新加热炉换热充分，横烟管使烟气产生的温降效果最为明显，根据温度场及流场得出，炉体内未发生热应力集中现象。

2）正平衡与反平衡算法得到的效率值近似相等，均为90.3%左右，相比于辽河油田老式自然通风加热炉，效率提高了近7%。

3）相比于烟气温度和流量对热效的影响，原油流量的高低对加热炉的热效率影响最大，可使效率波动达12%。

笔者从理论上验证了辽河油田的小型自然通风式加热炉的高效性，但研究成果尚未经过现场实测验证。接下来的工作是结合现场加热炉的燃烧情况，调整运行参数，使加热炉达到最佳工况。

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