天然气场站加热炉的应用分析

李 宁

(国家管网集团天津天然气管道有限责任公司，天津，300450)

1 引言

相比传统能源，天然气具有多种优点，在众多领域应用广泛。天然气场站是天然气在输送过程中进行多种工艺处理的场所。由于场站上下游的天然气压力需求往往不同，因此在分输时需要进行降压处理。气体介质经节流降压会产生焦耳-汤姆生效应，使得气体的输送温度急剧下降[1]。当天然气的输送温度接近场站的最低设计温度时，发生事故的风险增加。

场站天然气组分中常常含水，温降可能导致天然气中的水汽液化甚至形成固态，对设备造成损伤并影响正常的生产运行[2]。所以当温降达到一定值时需要在天然气场站设置加热装置。本文总结了常用天然气场站加热装置的结构，分析了工作原理，对比了优劣。

2 加热炉的功用

天然气场站一般采用加热炉对天然气进行升温处理，用于防止管道内的水产生固态物质，影响正常生产运行。加热炉利用外部能源作为工作的能量来源。加热炉选用合理可使天然气场站保持安全稳定和经济高效运行。天然气场站的加热炉根据工作原理分为水套炉、电加热炉、红外辐射加热炉和换热器等。

2.1 水套炉

水套炉的结构多为卧式，由壳体、盘管和加热系统组成，加热系统由烟囱、烟管和火筒等组成，结构如图1所示。水套炉是将燃料燃烧产生的热量通过中间介质传导给被加热介质，使其温度升高的设备[3]。天然气场站水套炉以天然气为燃料，天然气燃烧产生的高温烟气通过烟火管将热量传导给中间介质(水和乙二醇的混合物)，中间介质再对流经盘管的天然气进行加热。

图1 水套炉结构简图

水套炉在常压下对介质加热，具有操作方便、安全性好和适用范围广等优点，但由于其自身结构设计和现场操作，设备本身的自耗气量较高。在实际生产中，通过控制水套炉出口温度和改进自身结构可降低其自耗气量。

水套炉在石油天然气领域应用广泛，国内油气田在用的水套炉超过20000台[4]。近年来，在波形火筒和螺纹管强化传热技术、热管传热技术、烟管强化换热及微正压燃烧通风技术等方面，天然气水套炉的研发取得了较大进展，热效率达到83%—90%[5]。国内企业通过对加热系统优化研究开发出的油气田新型水套炉传热效率可达90%以上[6]。

传统的水套炉换热效率不高，且结构复杂，运行维护难度大。近年来研究人员在传统水套炉的基础上研发出一种利用相变换热的新型加热炉。天然气燃烧产生的热量使壳体中的液态水沸腾气化，水蒸气将热量传导给盘管，使流经盘管的天然气温度升高。水蒸气在热传递的过程中冷凝，冷凝的液态水在壳体内又被不断加热气化。水在相变过程中发生的热量交换使天然气得到加热升温，利用该原理的加热炉具有更高的加热效率。

2.2 电加热炉

电加热炉内部设有电加热管，介质进入加热炉后，在环形空间内流动得到加热。天然气电加热炉主要有壳体、测温盲管、换热管和接线腔等组成，结构如图2所示。

图2 天然气电加热炉结构简图

天然气电加热炉的发热组件为热电缆，安装于换热管中。天然气电加热炉的壳体为密闭高压容器，天然气流经电加热炉时被加热升温。在换热管内填充导热油，热电缆浸泡在导热油中。热电缆通电时，产生的热量使导热油温度升高，导热油不断将热量传导给换热管，换热管使流经壳体中的天然气加热升温。

电加热炉多用于加热负荷不大的天然气场站。电加热炉具有设备占地面积小、加热效率高和安全性好等优点，但由于存在导热介质，需增加辅助系统或者定期更换导热介质，设备运行维护的成本较高。电加热炉适合加热负荷较小的天然气场站。当加热负荷超过一定数值时，随着加热负荷增加，加热效果将变得不稳定，加热负荷过大会增加天然气场站配电系统的投资和日常管理成本。

2.3 天然气催化红外辐射加热炉

催化红外辐射加热炉的工作原理如图3。催化棉层内部安装电加热丝，电加热管通电时，催化棉层温度升高，当温度超过一定数值时，天然气开始进入催化棉层，与空气以一定比例混合发生无焰燃烧反应。天然气无焰燃烧反应不产生可见光，没有额外的热量损失，设备自耗气量较低。

图3 天然气催化红外辐射加热炉原理简图

天然气催化燃烧分为扩散催化燃烧、预混贫燃催化燃烧和预混辐射催化燃烧[7]。天然气加热炉的燃烧类型一般为扩散催化燃烧和预混辐射催化燃烧。燃烧产生的能量大部分转化为波长3—8微米，具有较高能量的红外射线对介质进行加热。

天然气催化红外辐射加热炉为辐射加热，红外线通过辐射对介质加热，由于辐射能的特点，空气不吸收热量，只有天然气管道外壁温度升高，能量损失小，装设备中的天然气管道用特殊涂料涂敷，能最大程度吸收热量。天然气催化红外辐射加热炉发生的反应为无焰反应，氧化反应温度比燃烧反应的发生温度低，安全性好。天然气催化燃烧红外辐射加热技术通过气体燃料在催化剂表面发生均匀燃烧，具有更高的能量转化率和能源利用效率[8]。

法国公司首先实现了催化燃烧加热技术的工业应用。近年来，催化燃烧加热技术在石油天然气领域发展迅速。催化式红外加热装置是一种投资小、效率高、运行成本低和污染小的新型加热方式，已越来越多在石油天然气领域得到应用。

2.4 管壳式换热器

有的天然气场站设有锅炉房，锅炉产生的热量除作为站内生活的热源，还可为场站天然气分输调压时加热。在生产中，一般用锅炉和换热器为天然气加热。换热器也称为热交换器，用于冷热流体间的热量传递。流体在换热器中的相对流向有顺流和逆流两种，换热器采用逆流传热[9]。

换热器根据传热方式不同分为混合式、蓄热式和间壁式三种，间壁式换热器根据结构不同分为板式换热器和管式换热器[10]。管式换热器分为套管式和管壳式。管壳式换热器的传热面为管束壁面，主要由壳体、管板、管束和管箱构成，结构如图4所示。管壳式换热器分为螺旋槽管换热器、横纹管换热器、螺旋扁管换热器和螺旋扭曲管换热器等[11]。

图4 管壳式换热器结构简图

发生热量交换的冷热介质中，流经管束的称为管程流体，在壳体内流动的称为壳程流体。一般在壳体内部安装挡板用来提高壳程流体的传热效率。挡板能使壳程流体的流速增加，引导流体以固定的路径横向流过管束，使流体保持湍流流态。换热管一般在管板上规律分布，换热管分布越紧密，壳程流体越容易保持湍流流态，换热效率越高。介质经过管束称为管程，经过壳体称为壳程。一般在壳体两端的管箱中安装挡板，将管束均匀分开，以增加管程流体的流速。管壳式换热器具有结构简单、操作可靠、传热系数高、不易泄漏、安装方便等优点，应用广泛。

3 不同天然气加热炉的对比

天然气加热炉的特点不同，应用条件也不同。目前最常用的三种天然气加热炉的特点对比如表1。

由表1可知，水套炉、电加热炉和催化式红外加热炉的各项技术经济指标不同。水套炉应用范围较大，但设备本身采购维护成本较高；电加热炉设备成本较低，但应用范围较小；催化式红外加热炉具有更高的换热效率，是一种较理想的天然气加热装置。在实际生产中，不同环境条件和生产条件适用的设备类型不同，天然气加热炉的设备选型要充分考虑外部条件对设备各项性能指标的具体要求。

表1 三种天然气加热炉的特点对比

4 天然气加热过程的热力学计算

天然气场站加热炉在选型时需要考虑设备加热过程前后介质的热力学变化，在此以天然气场站最常用的水套炉为例，建立模型，尝试对其工作时的热力学参数进行计算分析，为设备选型提供参考。

模型水套炉设计功率160kW、效率为87%、介质压力为0.4MPa、介质进口温度为20℃、介质出口温度为50℃、载热介质(水)的温度90℃、排烟温度200℃、火管出口温度690℃、火管放热面积为3.14m2、烟管放热面积为2.01m2、盘管受热面积为29.6m2、盘管介质流速为14m/s。

根据罗波-伊万斯辐射模型经验公式，火管辐射换热量可由式(1)计算[12]：

(1)

式(1)中，Qr为火管辐射传热量，kJ/kg；C为火管辐射系数，kW/(m2·K4)，一般取4.4×10-3-4.6×10-3；Aft为火管受热面面积，m2；Bc为燃料消耗量，kg/s;T1为火管出口烟气温度，K;Tb为火管壁面温度，K。

根据Gnielinski公式，可对烟管内烟气侧的对流换热系数进行计算[13]：

(2)

式(2)中，ac为烟气对管壁的对流换热系数，W/(m2·K)；λ为烟气在平均温度下的导热系数，W/(m·K)；Dist为烟管内径，m；Lst为烟管长度，m；Re为雷诺数；Pr为普朗特数。

辐射换热系数可根据式(3)计算[14]：

(3)

式(3)中，af为烟气对管壁的辐射换热系数，W/(m2·K)；asm为烟气黑度；Tst为烟气平均温度，K；Tw为烟管灰污壁面温度，K。

假设被加热介质流态为紊流，盘管内烟气侧的对流换热系数为：

(4)

由式(1)—式(4)，计算得模型水套炉的热力学参数为：烟管传热系数为51.4W/(m2·K)，盘管传热系数为107.4W/(m2·K)，火管传热量为112kW，烟管传热量为45kW。

5 结论

天然气场站加热炉的设备性能和工作状态直接影响正常生产，天然气加热炉种类较多，在设备选型时要充分考虑气质组分、压力需求、环境条件和预算投资等，同时需考虑在加热过程中气体介质的热力学变化，不断调试出最佳的设备工作参数。通过对几种常见天然气场站加热炉的分析对比可以预测，一方面，未来天然气场站必将向更加智能化、安全化方向发展，功能更多、操作更便捷和安全性更好的新型天然气加热炉将取代功能单一、运行维护复杂的传统加热炉；另一方面，未来加热炉将向着生产成本更低、应用环境更广的方向发展，未来设备的可选范围将更大。