（机械工程专业论文）分体相变加热装置研制与应用.pdf

中文摘要 本文首先分析研究了国内外油田加热炉的使用现状和国内油田使用的加热炉的 不足之处，利用冷凝换热强度高的原理，经过热工计算和力学分析，优化筛选了加热 炉的工作压力和工作温度，设计开发了体积紧凑、加热功率大、用途广泛的分体式蒸 汽冷凝自然循环油田加热炉。在厂内进行了产品试制与性能测试、筛选了阻垢表面和 防腐表面设计加工方法，实验检验了其作用效果，同时进行了多个油田的现场使用检 验，结果表明该加热炉具有方便安装、灵活选择和用途较广的特点，克服了目前油田 水套加热炉体积庞大、功率小的缺点，同时也克服了热媒加热炉运行成本高和系统复 杂的不足。由于加热部分与燃烧部分分处两个腔体，加热部分可以根据被加热介质的 特点进行阻垢和防腐处理，大大拓展了加热炉的使用空间，可用于易垢介质和腐蚀性 介质的加热，已经在国内外多个油田安装使用，取得了较好的效果。 关键词：冷凝，分体，加热，设计 t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd i s i n t e g r a t i o np h a s e t r a n s f o r m a t i o nh e a t i n gd e v i c e n s l o r m a t l o n e a t l n rd e v i c e j uz e q i n g ( m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x um i n g h a i a b s t r a c t f i r s t l y , t h ea r t i c l es t u d i e da n da n a l y z e dt h ec u r r e n tc o n d i t i o no fh e a t i n gf u r n a c ei no i l f i e l d sh o m ea n da b r o a da n dt h ed e f e c t si nd o m e s t i co i lf i e l d s i td e s i g n e da n dd e v e l o p e d s m a l l - s i z e d ，l a r g e l e a t i n gp o w e ra n d 、斩d e a p p l i c a t i o ns p l i tt y p en a t u r a lc i r c u l a t i o nh e a t i n g f i , n a c eo fv a p o rc o n d e n s a t i o ni n o i lf i e l d st h r o u g ht h e r m ot e c h n i c a lc a l c u l a t i o na n d m e c h a n i c a la n a l y s i sa sw e l la sw o r k i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo p t i m i z i n gb a s e do nt h e t h e o r yo fi l i g l li n t e n s i t yi nc o n v e c t i o n - c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r r i n g a f t e rt h et r i a l p r o d u c t i o na n df u n c t i o nt e s t i n gi nf a c t o r y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fs c a l ei n h a b i t a t i o n o ns u r f a c ea n da n t i c o r r o s i o nw e r ep i c k e do u t 1 h et e s t i n gi n s p e c t e dt h ef u n c t i o n s i n c l u d i n gi n s p e c t i o no n t h e s p o ta p p l i c a t i o ni ns o m eo i lf i e l d s t h er e s u l t si m p l i e dt h e f u r n a c eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e n i e n ti n s t a l l m e n t , f l e x i b l ec h o i c ea n dw i d e a p p l i c a t i o na n do v e r c o m e st h ed e f e c t so fi a r g es i z ea n ds m a l lp o w e ro fw a t e r a c k e tf u r n a c e c u r r e n t l ye x i s t i n gi no i lf i e l d sm e a n w h i l ea l s oo v e r c o m e st h ed e f e c t so f | l i g i l l yc o s ta n d c o m p l e x i t yo fh e a 廿n gm e d i u mf u r n a c e d u et os e p a r a t ei n s t a l l m e n to fh e a t i n gp a r ta n d b u r n i n gp a r t ，t h eh e a t i n gp a r te n l a r g e st h eu s a g es p a c eb ys c a l ei n h i b i t i o na n d a n t i c o r r o s i o nt r e a t m e n ti na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a t e dm a t e r i a l w h i c h c a na p p l yt ot h eh e a t i n go fm a t e r i a l sw i t hi n c r u s t a t i o na n dc o r r o s i o nv u l n e r a b i l i t ya n d a l r e a d ya p p l i e da n di n s t a l l e di nm a n yo i lf i e l d sw i t hg o o dr e s u l t sh o m ea n da b r o a d k e yw o r d s ：c o n d e n s a t i o n ，s p l i tt y p e ，h e a t i n g ，d e s i g n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：拗。年艿月弓日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：蛔。年t 玎月乡日 日期：砂口fj 年口，月弓7 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章前言 1 1 1 概述： 油田用加热炉是油田勘探开发中的重要设备之一，尤其是在我国东部油田大面积 进入高含水期及稠油和天然气的开发，加热炉显得更为重要。 在油田地面生产过程中，无论油气水分离、计量、输送等工艺过程，基本还离不 开对油井采出物进行加热，尤其是在冬季环境温度极低的生产条件下；同样伴热、注 水、洗井等生产过程也离不开介质的加热过程。因此油气集输领域内，加热设备在地 面集输生产中占有举足轻重的地位( 采用常温输送工艺流程除外) ，而且需要加热的 介质多种多样，主要包括井产物的油气水混合物、气井的天然气、外输的原油( 含水 小于5 ) 、计量站的含水原油、伴热用的掺水、采暖注水用的清水等等，同样由于各 油田的情况不同，采用的燃料从伴生气、含水原油、原煤、水煤浆也是千差万别，正 因如此，油田生产过程中使用的加热设备多种多样。 1 1 2 课题研究的意义 经多年在加热炉设计、应用等领域的实践发现，在油气集输领域内，对重质原油 加热，宜结垢油田污水加热，以及含腐蚀性成分的污水、天然气的加热均存在一定难 度，实际应用中，一直受到比如加热设备体积庞大，运行周期短，维护清洗困难等问 题的困扰。 在转油站中，一般进站原油先进入三相分离器，对分离后原油、污水加热后分别 进入缓冲罐，再经输油泵或水泵将原油、污水外输，在大庆油田普遍使用二合一火筒 加热炉，实现含油污水、原油的加热缓冲功能，此加热方式常造成加热受热面因结垢 超温而导致受热面失效损坏。 随着东部油田普遍进入开采后期，注聚开采等新开发工艺得以采用，致使油田污 水成分更加复杂，物性更难于掌控。加热炉设计时如何去考虑因结垢导致出力下降的 情况，相应加大储备系数，采用相应阻垢清垢措施，便于对污垢进行清除等均显得更 有意义。 天然气加热炉在我国应用量逐年增加，我国四川、塔指等地区都普遍存在高含硫 井，高含硫气加热如何在保证加热效果的同时确保设备的使用安全，显得至关重要。 总之，随着油气田勘探开发面积的增大、开发难度增大，油田用加热炉的数量越 来越多。截至2 0 0 5 年，中石油油田用加热炉在用数量1 8 4 6 0 台。加热炉是油田的主 要能耗设备，中石油油田用加热炉每年能耗总量折合成原油约1 7 0 多万吨，耗能十分 惊人。目前，油田用加热炉主要存在设备老化( 平均新度系数0 4 1 ) 、小型加热炉较多、 第l 苹前言 效率偏低、燃烧不充分、炉内腐蚀结垢等问题。关注油田用加热炉技术和发展对安全 生产、节能和提高生产效率有着重要的意义。 1 2 国内外加热设备现状 1 2 1 国内油气集输加热设备现状： 目前油田地面集输领域采用的加热设备主要有：管式炉、火筒炉、水套炉、蒸汽 锅炉、有机热载体炉和真空加热炉。 i 、管式加热炉：属于直接加热方式。该炉型的光管受热表面直接受高温火焰和 高温烟气的辐射和冲刷，用于加热原油时由于原油中含有较多的胶质和沥青质，它们 在流动中容易在管内局部沉积。一旦沉积发生，将阻碍管壁热量传递给被加热工质， 这样容易造成管壁局部过热、氧化，过热又会促成管壁局部油垢结焦，导致管壁超温， 使管子强度降低，而导致爆管事故的发生。若用于加热油气采输过程中分离出来的含 油污水，由于污水一般矿化度较高，且含有细小泥沙颗粒和少量原油，由于管壁温度 较高，易在内壁结水垢或油垢混合物，使壁面热阻增大，壁面过热，影响加热炉的热 量输出，并可引发炉管早期损坏。且管子为往复式密闭结构，管内污垢很难用机械方 法清除。该炉型设计时，对管内介质流速有严格的规定，s y t 0 5 3 8 规定管内冷油流速 宜为1 4 - 20 m s ，这样会造成管内阻力损失加大，有文献论述最高压力损失能达 l _ 8 _ 25 肿a 。同锅炉加热水或蒸汽相比，具有更高的危险性，操作条件要苛刻的多， 对使用维护的要求更高。 不过该加热炉具有加热温度高，达3 0 0 或更高；加热炉零件工厂生产现场组装， 可以实现大功宰的要求，s y t 0 5 3 8 规定热负荷大于5 0 0 0 k w 的管式炉，宜采用现场组 装管式炉；因此，该加热炉在石油炼化、原油稳定、长输管道方面广范应用。见图卜1 、 l 一2 。 图卜l 立式火管炉示意图图l - 2 卧式火管妒示意图 n g l i y e r i i e a ! t y p e f i r e t u b e b e a t e rf 氅l o h o r i z o n t a | t y p e f i r e t u b e h e a t e r 2 、火筒式加热炉：该炉型属于直接加热方式。燃烧的热量通过火简直接加热锅 中田石油大学( 华东) i 程硕士学位论文 壳内的生产介质。与管式加热炉相比，火衙结垢的敏感性低、对换热影响不太显著。 但是被加热的生产介质在炉壳内流速缓慢，火筒外壁非常容易结垢，结垢后会造成火 筒换热恶化，致使筒壁变形( 鼓包、凹陷) ，严重时会使筒壁破裂。因此，火筒式加 热炉一般不适于加热易结垢生产介质，如稠油、三次采油污水、掺水等。见图卜3 。 口 图1 - 3 火筒炉结构示意圈 f i 9 1 - 3 c o n f i g u r a t i o n o f c i r c u l a r f l e e h e a t e r 3 、水套炉：该炉型的盘管换热器是浸没在高温中间介质水中( 锅壳一般额定工 作压力为0 2 5 - - 0 4 肝a ，饱和水温度为1 3 8 一1 5 0 ) ，通过水间接加热盘管，不存 在换热管过热损坏问题。但由于水浴传热系数较小( 水浴换热与相变换热的比较在文 章后面有详细论述) ，因此盘管换热器体积较大。水套炉的燃烧系统普遍采用自然通 风方式，燃烧器采用大气火嘴，辐射段及对流段采用大直径光管结构，由于水套炉的 燃烧系统和盘管换热器均装在一个锅筒内，结果导致锅壳体积庞大，使之承压性能不 好，并且由于运输尺寸的限制，其热功率一般不大于1 6 0 0 k w 。其往复式的盘管换热器 管内结垢后也不利于清洗。见图卜4 、图卜5 、图1 - 6 。 誓蓁萝 雪苇；三j ；三， 圈1 叫永套炉结构示意圈 r i g l - 4 c o n f i g u r a f i o u o f w a t e r j a c k e t h e a t e r 第1 章前育 薹暑。穗奠o _ 撬躺莺 图卜5 水套护圈1 - 6 水套妒燃烧器 f i 9 1 5w a t e r j a c k e t h d t t e rf 嘧1 巧b u r n e r o f w a t e r j a c k e t y e s t e r 4 、蒸汽锅炉：此设备用于加热原油时，虽然也使用换热器间接加热，不过此种 形式加热时，蒸汽放热后会凝结成大量的水如果此凝结水回收再次使用，需要水泵、 回收水罐及其他相关的复杂回水设备；如果凝结水不回收，势必造成大量饱和水及热 量的浪费。按蒸汽锅炉安全技术监察规程规定，给水还必须满足g b l 5 7 5 低压锅 炉水质的规定，这样必须建水处理车间。蒸汽锅炉安全技术监察规程第1 8 3 条 规定“锅炉一般应装在单独建造的锅炉房内”水处理和锅炉房的增加无形中加大 了投资成本。另外，蒸汽锅炉还存在易结永垢的缺点，需要定期进行洗炉维护。 6 、有机热载体炉：从结构上来讲，也属于营式炉的范畴，不过该炉型加热的介 质需要二次换热，实现终端介质的加热，从目的用途来说，还属于间接换热，故在文 章中暂将其划为间接加热炉。该炉型可以提供2 0 0 一3 0 0 的高温导熟油，压力一般 不超过25 m p a ，在实际应用中超过1 o m p a 的不是很多。该加热炉优势即在于利用低 压、高温差对被加热工质进行加热，能够有效地缩小换热嚣体积。但该炉型热效率低， 小于8 4 ，原因在于有机热载体炉的最大特点是流量大、温升小( 回油温度高) 这 样导致其排烟温度无法降低，造成排烟损失过大：使用的导热油价格较昂贵，导热油 因消耗或老化，还需定期添加：以某厂生产的q x y 2 5 0 型功率为2 9 0 0 k w 热媒炉为例， 运行时需充装8 吨导热油，价格为6 5 0 0 元吨，运行期间每年需补油2 3 桶，每桶 1 7 0 k g 导热油的使用寿命为j 年，到期必须全部更换。运行中炉体虽晕压低，但导 热油却存在着易燃、易渗透等安全问题。由于导热油流量大，且在炉内的流速高，( 有 机热载体炉安全技术监察规程规定辐射受热面不低于2 m s ，对流受热面不低于 1 5 m s ) ，该炉型运行中必须依靠大功率高温导热油泵使导热油快速流动增加了额 外的电能消耗。造成运行成本较高。另外该炉型系统构造较复杂，规程规定系统必须 包括膨胀系统、储存罐、必要的摔气管路，同时还需配套导热油补充管路等等，导致 制造维护成本高于其他炉型。仍以q x y 2 5 0 型导热油炉为例设备报价( 不包括燃烧 器、换热器、导热油) ，金属耗量4 0 吨。见圈卜7 、卜8 。 中目石太学( 华东) i 程磺学位论立 圈1 - 7 有机热载体炉图l _ 8 有机热载体系统工艺流程圈 f i g l - 7 h e a t t r a n s f e r o i l b o i l e rf i g l _ 8s y s t e md i a g r a m o f h 凹t t l a l t s f e r o i l b o i l e r 6 、真空加热炉( 一体) ：真空加热炉具有锅筒内负压运行，管外相变换热、传热 系数大等优点，但由于蒸汽饱和温度低，一般设计温度为9 6 c ，用于加热重质原油或 功率要求较大时，因换热温差小，致使换热器体积庞大，导致制造成本高或无法满足 使用要求。见图卜9 、图卜l o 。 工作瞟理示意圈 = = = = ：= = = = = = = = = ：寸 一二= 2 l = _ _ = = = = = = = ! 刮 1 月自4 # l * 赭1 0 2 ，# a 幂一十艚1 6 目栅 2 目5 耳t r8 t 世*”2 目1 4 * 量ft 7 盘# 体 3 坤口be * 0 t * 蠹b1 2 m tf 5 * 19 # “i 田1 - 9 真空加热炉工作乐理示意图 f i 9 1 - 9 s t r u c t u r ep r l n c l p k d i a g r a m o f v a c u u m h e a t i n g b o i l e r =脊袋 釜1 。_ ， ： 第1 苹前言 蜊 圈i - 1 0 真空加热炉 f j 9 1 - 1 0 v i e u u m h e a t i n g l l e r 1 2 2 国外加热设备优势： 近十几年国内加热设备结构不断完善，先进的燃烧设备和技术不断得到应用， 有些加热炉的性能指标已接近和达到了国际先进水平。但总的来说目前国内油、气生 产和输送中使用的加热炉，整体技术装备性能水平相对不高，与国际先进水平还存在 一定差距，主要表现为： i 、国内油田加热炉的单台热负荷较小，热负荷为1 2 5 0 k w 以下的小型加热炉约占 加热炉总数的9 0 以上。 2 、国内油田加热炉的平均运行效率约为7 0 9 6 左右，加热炉热效率较低：而国外有 关加热炉运行热效率为8 5 以上。 3 、国内油田加热炉的燃烧过量空气系数较高，一般在13 以上，有的甚至高达 2 0 以上：而国外有关加热炉的燃烧过量空气系数可控制在1 1 以下。 4 、国内油f f 加热炉的钢耗量相对较高，水套炉的单位钒耗量一般达1 4 t m w 左右： 而国外有关加热炉的单位铜耗量为4 - 7 t 胂左右。 5 、国内大部分油田加热炉按标准配置了安全保护装置，但加热炉的运行操作， 特别是负荷调节和燃烧控制调节主要仍为手工操作；国外有关加热炉的安全保护和运 行控制均实现了自动化，可实现加热炉运行无人值守。 1 3 本论文的研究内容和技术路线 1 3i 研究内容 本论文旨在针对解决加热高粘度原油时缩小设备体积，实现大功率加热：加热宜结 垢介质时，实现方便定期清垢且清垢彻底；加热腐蚀性介质时，实现受热面更换。使加 热设备适用范围更加广泛，同时还需提高燃烧效率，提高设备控制自动化程度，实现无 人值守。 1 3 2 技术路线 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 由于常规加热炉在加热重质原油方面存在以上不足，经论证认为采用分体相变加 热炉方案，可以较好地解决重质原油加热等一系列问题，是种值得尝试的炉型。 相变换热的诸多优势已在真空加热炉的应用中得以证实，同时对水浴换热和相变换 热计算进行比较： 盘管的传热系数由下式表示： k = d 。 万l 兹竹， i + 一g o ( 1 1 ) 式中：a 卜管内壁对被加热介质的放热系数； qo r 一管外介质对壁面的放热系数； r i 管内侧污垢热阻； r o 一管外侧污垢系数； 6 入金属管壁热阻； 除qo 外，其余几项水套炉与真空加热炉的情况基本是相同的，这里暂不考虑它们。 现在分析qo 在不同换热情况下的区别。 先分析敞口水套炉，也就是水浴时外侧对流换热系数。水浴换热是由自然对流传热 使流体的温度变化，引起密度变化，密度的变化导致流体的循环，就产生了自然对流传 热。水浴时外侧对流放热系数可以用下式表示： ：l l6 f k 3 c 2 p f l a t 1 。 l 埘。 j ( 1 2 ) 式中：h 卜管外介质对壁面的放热系数，单位b t u ( h f t 2 。f ) ； k 浴液导热系数，单位b t u ( h f t f ) ； c 浴液比热，单位b t u ( 1 b f 1 ； p 浴液密度，单位l b f t 3 ； 1 3 浴液热膨胀系数，单位1 f ； i l 浴液粘度，单位c p ： 卜盘管液与浴液间的平均温度，单位。f ； d 0 忡盘管外径，单位i n ； 我们假设水套炉工作压力为常压，盘管内介质平均温度t p j = 2 5 * c ，水浴液饱和温度 t b h = 1 0 0 * c ，分别相当于华氏温度7 7 。f ，2 1 2 f ，利用相关公式解得： k = 0 3 9 4 ；c = i ；p = 5 9 8 8 ；1 3 = 0 0 0 2 4 ；p = 0 2 8 ；t - _ 1 6 7 ；d o = 3 将以 上结果代入式( 1 2 ) 得 h o = ao = 1 2 6 5b t u ( h f t 2 。f ) = 7 5 7 8w ( m 。) 现在分析相变换热时外侧对流放热系数。当水蒸汽与冷壁面接触时，蒸汽会形成膜 状凝结，也就是在管壁上形成一层水膜，这时液膜层就成为换热时主要热阻。相变换热 7 第l 章前言 时外侧对流放热系数可以用下式表示： v 等莆 3 ) 式中：q 。访广水蒸汽冷凝时的放热系数，单位w ( m 2 ) ； t b 广水蒸汽饱和温度，单位； “i 管壁温度，单位； d r 盘管外径，单位m ； 以真空加热炉的条件为例：t b = 9 6 c ；被加热介质条件与水套炉相同：盘管内介 质平均温度t p j = 2 5 c ，t b i - - 6 0 5 x 2 ；d w = 0 0 7 6 将这些条件代入式( 1 3 ) ，解得an j n g _ q0 = 7 6 0 5 3w ( m 2 1 因为盘管内被加热介质条件相同，以4 0 0 k w 天然气加热炉为例计算得： qi = 1 7 2 7 w ( m 2 ) r i = 0 0 0 0 17 ( m 2 c ) w r o = 0 0 0 0 0 9 ( m 2 c ) w 6 入= 0 0 0 0 2 3 0 3 ( m s c ) w 将水套炉和真空加热炉管外介质对壁面的放热系数qo 以及qi 、r i 、r o 、6 入代入 式( 1 - 1 ) 得出水浴传热系数k w 砒盯和真空加热炉传热系数分别为： k 啪研= 4 1 8 6w ( m z ) k s t e 啪= 8 3 2 8w ( m 2 ) k 咖锄依w a l c r _ 1 9 9 倍 由传热公式q = k t h 可以得出，两种加热炉功率相同时 k w 姗t w m 。r h w a l c r = k s l c 锄t s i 锄h s 咖假设温压相同，可以得h w 砒c r h 。l c 锄= k s t 锄依w 绷芦1 9 9 倍 结论：相变换热传热系数是水浴换热传热系数的2 倍左右。 根据结论，相变换热的优势是明显的，故仍然采用相变换热的原理。 注：水浴换热和相变换热的比较部分是作者2 0 0 1 年 天然气真空加热炉项目可行 性论证报告的内容，公司内部人员曾发表论文将其引用且该论文已公开发表。 确定技术原理：采用分体式结构，将蒸汽发生器与换热器分为两体上下安装，这样 蒸汽发生器就成为只与功率有关，而与用户工质物性无关的标准部件，因而只需根据用 户对工质加热的不同需求来设计、制造专门的管壳式换热器，再与标准的蒸汽发生器组 装为一体。运行应用有压相变技术及水蒸发冷凝的特性，利用汽化潜热加热被加热介质， 并依靠重力作用实现水的蒸发、冷凝、回落、再蒸发的自然对流，无需外界动力，运行 成本低。 开发研究方案的思路( 见图1 1 1 ) ：首先，通过提高加热装置的工作压力，来获得 较高温度的饱和蒸汽，从而提高加热温压，满足重质原油的加热需要：其次，将加热盘 管从炉内拿出来，用固定管板式换热器来代替。这样，在相同的体积情况下，固定管板 8 中国石油大学( 毕东) i 程碰学赶论文 式换热器可以提供数倍于盘管的受热面积，达到了减少体积的目的 圉1 _ 1 l 开发方案思路示意图 f i g l l ld i a g r a m m a t i cs k e t c ho f d e v e l o p m e n t p r o t o c o l 第2 章设h 阶段实施 第2 章设计阶段实施 2 1 基本方案 如下图所示将分体相变加热装置分为两部分：加热部分与换热部分，如图2 - 1 所示 1 前管箱2 换热管 3 后管箱4 烟囱5 烟箱6 燃烧器7 操作间 8 泼纹炉胆 9 烟管1 0 回烟皇1 1 防爆门 图2 - 1 分体相变加热装置原理示意圈 n g z - is t r u e t a r ep l f m c i p l e d i a g r a mo f d e t a c h e d w u a s t t r a a s i t i o nh e a t e r 采用分体式结构，将蒸汽发生器与换热器分为两体，这样蒸汽发生器就成为只与功 率有关，而与用户工质物性无关的标准部件，因而只需根据用户对工质加热的不同需求 来设计、制造专门的管壳式换热器，再与标准的蒸汽发生器组装为一体。这样大大减少 了设计工作量，显著缩短了制造工期。同时由于两者分开，可以使两者体积显著缩小 具备了良好的承压安全运行特性，和方便运输的优点。 2 2 产品基本结构与设计 2 - 2 1 分体相变加热装置基本结构 加热装置采用卧式内燃结构，使用波形炉胆、螺纹烟管，三回程布置：这样可以使 加热炉的体积明显减小。( 注：第一台产品在实际应用中，用户提出，三回程布置不符 合油田场站设计的相关规定，原因是- - 程布置，排烟口在加热炉尾部，烟囱也相应设 置于加热炉尾部，而被加热介质管线同样布置在加热炉尾部，不符合防火距离要求，因 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 此进行改造，将加热炉尾部排烟通过烟道引致加热炉前端侧，设置烟囱排放。) 鉴于此 原因，调整结构设计方案，将加热装置的蒸汽发生器三回程结构改为二回程结构，满足 实际生产的需要。 换热器采用固定管板式换热器，两端管箱可以打开，管程根据被加热介质的实际情 况确定回程数。这样使管程的阻力损失最小，并能够非常方便的对换热管进行检修、清 洗。 2 2 2 蒸汽发生器的设计 以油气为燃料的卧式内燃锅壳式锅炉，具有体积小结构紧凑，便于快装等特点，且 应用广范，技术成熟，适合分体相变加热装置加热部分的配套，因此采用卧式内燃锅壳 式锅炉为分体相变加热装置的蒸汽发生器。 卧式内燃锅壳式锅炉本体主要包括：锅壳、炉胆、回烟室、烟管、烟箱等。设计内 容主要是热力计算、烟风阻力计算和强度计算。 2 2 2 1 热力计算 其中热力计算主要包括热平衡计算、炉胆辐射传热计算和烟管对流传热计算： 热平衡计算： n2 10 0 一q 2 - q 3 一q 4 一q 5 - q 6( 2 1 ) b 却o l n l o o q 4 ) ( 2 2 ) 式中：n 锅炉热效率，单位； q 2 排烟损失，单位；q 2 = h ”锄( 1 0 0 一q 4 ) q i h ，s m 排烟焓，单位k j k g 或k j m 3 ： q i 锅炉输入热量，k j k g 或k j m 3 ； q 3 气体不完全燃烧损失，单位；经验推荐选取：自然通风时0 3 2 0 ， 强制通风时0 3 1 0 ，燃料为油时取较低值，燃料为气时取较高值。 q 4 固体不完全燃烧损失，单位；经验推荐选取：燃料为气时，此项不 予考虑；燃料为油时，自然通风时0 0 3 ，强制通风时不考虑。 q 5 散热损失，单位；经验推荐选取：一般按o 5 1 5 范围选取，功率 较大及保温良好取较小值，反之取较大值。 q 6 _ 灰渣热损失，单位：燃料油、气的灰渣很小，可以忽略，故此项不 考虑。 b r 计算燃料消耗量，单位k g s 或m 3 s ： b 实际燃料消耗量，单位k g s 或m 3 s ； 通过热平衡计算确定锅炉的各种损失，以确定其热效率及燃料消耗量。 炉胆辐射传热计算： 第2 章设计阶段实施 鳓= 饼篙挚地+ g = 鳓一坼 刽孙剐 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 0 0 3 ( 2 6 ) 式中：q i f t 炉胆输入热量，单位k j k g 或k j m 3 ； q ，燃料应用基低位发热值，单位k j k g 或k j i m 3 ； q 。空气带入系统的显热，单位i o k g 或k j m 3 ； q f 燃料带入系统的显热，单位k j k g 或k j m 3 ； q b f t 按热平衡方程计算的烟气放热量，单位k j k g 或k j m 3 ； h ”r 炉胆出口烟气焓，单位k j k g 或； q m 按辐射换热方程计算的炉胆传热量，单位k j k g 或k j m 3 ； a n 炉胆受热面面积，单位m 2 ； c 一一炉胆辐射系数，单位k w ( m 2 k 4 ) ：一般取c = ( 4 4 4 6 ) x l o 。 k w ( m 2 k 4 ) 。燃油时，取较大值；燃气时，取较小值。 b r 计算燃料消耗量，单位k g s 或m 3 s ； r r 炉胆出口烟气温度，单位k ； t 谢一炉胆壁面温度，单位k ； 炉胆辐射传热计算采用校核计算方法，根据炉胆出口假设温度，利用公式( 2 3 ) 、 ( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 得出按热平衡计算的烟气放热量和按辐射换热方程计算的炉胆传热量， 利用公式( 2 6 ) 将结果进行比较，如果满足公式( 2 - 6 ) ，炉胆辐射传热计算结束，假 设炉胆出口温度合理；否则，重新假设炉胆出口温度，按上面步骤重新计算，逐步递推， 确定最终合理的炉胆出口烟气温度。同样可以采用图解法确定炉胆出口温度。 根据以上公式及相关标准编制如下炉胆辐射传热计算表2 1 ： 表2 - 1 辐射段热力计算 t a b l e2 - 1t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t e ds h e e to fr a d i a t i o ns e c t i o n 辐射段热力计算 名称符号单位公式结果 锅炉输入热量 q i f l k j k g 或k j m 3 3 5 5 6 4 计算燃料消耗量 b j m h3 3 9 9 炉胆出口过量空气系数 a1 2 保热系数 0 9 8 8 9 炉胆入炉热量 q l l o m q i f l ( 1o o q 3 4 ) ( 10 0 一q 4 ) + q k 3 5 3 1 5 绝热燃烧温度 1 ；i r 按q l 查温焓表 1 7 7 3 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 炉胆出口温度 0 ” 假定选定1 0 0 5 绝对炉胆出口温度 t lk 0 ”+ 2 7 31 2 7 8 炉胆壁温 t b j tb l i + 9 01 8 5 8 绝对炉胆壁温 t b j k t b a 2 7 3 4 5 8 8 炉胆出口烟焓i l ”k j m 3 查温焓表 1 8 7 7 7 辐射系数 c l k w ( m 2 k 4 ) 选定0 0 0 4 4 辐射和对流的有效面积h lm 21 3 7 9 烟气放热量 q r p k j m 3 q l i i ” 1 6 5 3 8 烟气传热量 q c r k j m 31 6 8 5 7 计算误差 i q c r q r p q r p 幸10 0 1 9 布置合理 烟管对流传热计算： 目前，锅壳锅炉的应用非常广泛，而且螺纹烟管以强化换热、降低管内积灰等特点， 已完全取代了光管烟管。在国内对螺纹烟管传热与流阻的研究早在7 0 年代即已开始， 最具代表的研究成果主要有两种结论：一是重庆锅炉总厂与重庆大学热工教研组合作研 究开发；另外就是哈尔滨工业大学与北京之光锅炉研究所先后的研究结果。这两种方法 均在锅壳锅炉的设计中得到广泛的采纳应用，据李之光老师统计，采用后一种计算方法 设计的锅炉台数不少于1 0 万台。 李之光老师曾对上述两种方法进行了详细的数值计算比较，给出了如下看法与建 议： “重锅一重大”给出的计算公式相对于“哈工大一之光所 给出的计算公式，较为 简单，手算较为方便。但“重锅一重大公式中未能反映出螺纹深度变化对放热系数有 较大影响的实际情况，同时对热有效系数的选取也给出了比较实际的结论。 在与之光锅炉研究所进一步的合作后，对螺纹烟管的传热、阻力计算中我们采用了 “哈工大一之光所给出的计算方法。 口：竺肌 ( 2 7 ) d n u = s t r e p r ( 2 8 ) s t = 2 5 b n ( 丢) r 。7 7 ( 昙 。3 3 ( 詈) 。供硒 ：；i r e ( 詈) 。5 。2 7 3 z ，r 。- 5 3 7 5 r e ：竺d d 式中：入流阻系数； d 螺纹管内直径( 不考虑螺纹) ，单位m ； ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第2 章设计阶段实施 r 管内壁的螺纹深度，单位m ； 卜螺纹节距，单位m ： q 放热系数，单位w ( m 2 ) ； 入导热系数，单位w ( m 7 ) ； u 运动粘度，单位m 2 s ； - ) 流速，单位m s ； n u 努谢尔特数； s t _ 斯坦顿数； r r 雷诺数； 公式说明：烟气温度按被加热介质的算术平均温度加上烟管温压来确定，即 uy 嘞+ t ( 2 1 1 ) 根据以上基本公式及相关标准编制如下烟管对流传热计算表2 2 ： 表2 - 2 对流段热力计算 t a b l e2 - 2t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t e ds h e e to fc o n v e c t i o ns e c t i o n 对流段热力计算 名称符号单位公式结果 入口烟温 e 1 0 0 5 入口烟焓l k j i m 31 8 7 7 7 出口烟温0 ”1 8 8 出口烟焓 i ”k j m 33 1 8 7 o 出口过剩空气系数a1 2 热平衡热量q m z k j i m 3 ( i - i ”) 1 5 5 9 0 平均烟气温度 o p j t b h + t l l l 4 5 2 7 8 对数平均温压 t m ( 0 0 ”) l n ( ( 0 - t a r ) ( o ”t b h ) ) 3 5 6 9 8 平均烟气流速 u y m s b j 奉v y 奉( 0 p j + 2 7 3 ) 2 7 3 a z 1 9 4 4 保热系数巾0 9 8 8 9 烟气普朗特数p r 查阅 0 6 2 9 烟气运动粘度 v sm 2 s 查阅 6 5 8 0 0 0 烟气导热系数九w m 查阅 o 0 6 1 5 烟管雷诺数 r e c l ) y * d r v 1 3 3 0 0 对流换热系数a dw m 2 取自标准第2 0 页 8 3 4 3 辐射减弱系数 k g 1 m m p a 取自标准第2 0 页 o 4 1 有效辐射厚度l i n 0 9 * d n l0 0 00 0 4 0 5 烟气黑度 m 取自标准第2 0 页 0 3 2 7 辐射换热系数 g h - w m 2 取臼标准第2 0 页1 2 4 2 5 烟管内灰污壁面温 度 t w + k 1 2 0 8 烟管利用系数 芎 选定 o 8 5 传热系数 kw m 2 芎奉( a d + c t l r ) 8 1 4 7 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 主传热面放热量 q c r k j m 3 k * h r 幸a t m ( b j * 10 0 0 ) 幸3 6 0 0 1 5 8 0 8 主传热面传热误差 l q r p z - q c r v q r p z 幸10 0 1 4 0 2 5 2 5 1l n ( d 2 e ) + 0 8 6 8 ( e d ) 。0 3 3 ( 讹) o 姗掌【1 + o 流阻系数( 8 ) ”1 0 2 0 2 9 6 ( i n r e 9 4 8 ) 2 e x p ( - 0 0 0 5 * f i e ) 3 7 5 斯坦顿数s t0 0 0 7 3 努赛特数 n u6 1 布置合理 2 2 2 2 烟风阻力计算 烟风阻力计算仍然采用“哈工大之光所 给出的计算方法： ( 詈) n 5 = 2 5 ，n ( 丢) + 。8 6 8 ( 号) 。0 3 3 ( 考 仉3 6 6 h + 0 0 2 9 6 ( 1 n r e 一9 4 8 ) 2 】e x p ( 一。5 考 一3 7 5 ( 2 1 2 ) 公式符号与烟管对流传热计算所用公式符号相同。 根据以上基本公式及相关标准编制如下烟风阻力计算表2 3 ： 表2 1 3 烟风阻力计算 t a b l e2 - 3f l u eg a s e sa n da i rr e s i s t a n c ec a l c u l a t e ds h e e t 烟气阻力计算( 哈工大) 名称符号单位公式 结果 实际烟气体积 v 期 m 3 m 3 v 。曲h l + o 0 0 1 6 1 d a ) ( a 1 ) v 。t h 1 2 3 烟囱内烟气流速 1 0 m s 选定1 0 s q r ( b j v s m + ( 0 s m + 2 7 3 ) 烟囱直径由m0 5 ( o 7 8 5 幸2 7 3 奉) ) 炉胆内径d nm 取白结构设计参数 1 炉胆有效长度l y i t i 取自结构设计参数3 6 3 炉胆横截截面积 a l m 2 取自结构设计参数0 7 8 5 3 炉_ l j 日燃烧室理论温度 t j r 取自辐射段热平衡计算 1 7 7 3 炉胆出口气流温度 0 ” 取自辐射段热平衡计算1 0 0 5 实际烟气容积v s m m 3 取自燃烧计算 1 2 3 计算燃料消耗量 b jm 3 l l 取自辐射段热平衡计算3 3 9 9 烟气粘度 vm 2 s 选定 0 0 0 0 1 4 烟气的雷诺数 r et o d n u 4 7 4 9 4 气体标准状态下密度 p k g m 3 ( c 0 2 + n 2 + h 2 0 ) v 1 0 4 气体平均密度 p p j k g m 3p * 2 7 3 ( 2 7 3 + t p j ) 0 2 2 烟管入口前总阻力p z lp a估取2 5 螺纹管内径 d nm0 0 4 5 螺纹管节据 t m m 3 0 螺纹管槽深em m1 5 螺纹管纵向长度 l y m3 6 3 第2 覃设计阶段实施 烟气平均温度 o p j 4 5 2 7 9 烟气入口温度 0 1 0 0 5 烟气出口温度0 ”1 8 8 纵冲烟管平均流速 p j m s 1 9 4 纵冲烟管入口流速 rm s v s m 木b j 奉f e + 2 7 3 ) 2 7 3 a z 3 4 2 4 纵冲烟管出口流速 ( o cm s v s m 奉b j 木( e i i