原油加热炉设计计算书

PAGE1原油加热炉设计计算书——含热负荷专项计算——工程名称原油集输处理站加热炉工程设备位号F-101设备名称原油圆筒加热炉设计阶段初步设计文件编号HC-F-101-2026-001文件类型设计计算书版本Rev.0编制____________审核____________批准____________2026年9月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计概述 11.1设计任务 11.2设计依据 11.3设计原则 12设计基础参数 22.1原油物性参数 22.2燃料物性参数 22.3环境与操作参数 23热负荷计算 33.1有效热负荷计算 33.2热平衡与各项热损失 33.3加热炉热效率 43.4燃料消耗量计算 44炉膛设计计算 54.1炉膛结构形式选择 54.2辐射段热分配与炉管表面热强度 54.3炉膛容积热强度校核 55对流段传热计算 65.1对流段吸热量与对数平均温差 65.2对流段传热系数与换热面积 66排烟系统与烟囱计算 76.1烟气量计算 76.2烟囱抽力计算 76.3烟囱直径计算 87安全核验 87.1炉管管壁温度校核 87.2炉膛热强度限值核验 87.3过剩空气系数核验 97.4防火间距与安全设施核验 98结果分析与工程指导意义 98.1计算结果汇总 98.2敏感性分析 108.3工程指导意义 10免责声明 12PAGE11设计概述1.1设计任务本计算书针对原油集输处理站原油加热炉（位号F-101）进行热力设计计算。该加热炉的功能是将进站原油从进站温度加热至外输温度，满足原油集输、脱水及外输工艺要求。本计算书涵盖有效热负荷计算、燃料消耗量计算、炉膛与对流段热力计算、烟囱抽力计算、安全核验及结果分析等内容，为加热炉的详细设计、设备选型和安全运行提供依据。1.2设计依据本加热炉设计计算遵循以下现行标准与规范：（1）SH/T3036—2012《一般炼油装置用火焰加热炉》；（2）SH/T3045—2024《石油化工管式炉热效率设计计算方法》；（3）GB51175—2016《炼油装置火焰加热炉工程技术规范》；（4）GB50350—2015《油田油气集输设计规范》；（5）GB50183—2015《石油天然气工程设计防火规范》；（6）GB55037—2022《建筑防火通用规范》；（7）ISO13704:2007《Petroleum,petrochemicalandnaturalgasindustries—Calculationofheater-tubethicknessinpetroleumrefineries》。1.3设计原则（1）安全可靠原则：加热炉设计必须满足防火、防爆、防超温等安全要求，关键热力参数不得超过规范限值；（2）经济高效原则：在满足工艺加热要求的前提下，合理选择热效率与过剩空气系数，降低燃料消耗与运行成本；（3）标准合规原则：所有计算方法、参数选取与安全核验均依据现行国家与行业标准执行；（4）留有余量原则：热负荷计算考虑10%的设计余量，炉管面积与烟囱尺寸均按最大工况校核。2设计基础参数2.1原油物性参数本加热炉处理介质为进站原油。根据原油集输处理站提供的工艺条件，原油物性参数取加热温度区间的平均值。原油在加热过程中无相变，按液态稳定流动处理。2.2燃料物性参数加热炉燃料采用站内净化天然气。天然气主要成分为甲烷，含少量乙烷及惰性气体。燃料低热值按现场燃气分析数据取平均值。2.3环境与操作参数环境条件按当地气象资料取年平均气温。入炉空气不设预热器，按环境温度直接进入燃烧器。过剩空气系数按燃烧器厂家推荐值及规范要求选取。设计基础参数汇总见表2-1。表2-1设计基础参数表序号参数名称符号数值单位备注1原油处理量m50000kg/h设计工况2原油进口温度t₁20°C进站温度3原油出口温度t₂80°C外输温度4原油平均定压比热容cₚ2.0kJ/(kg·°C)加热区间平均5炉管内操作压力P1.6MPa(g)设计压力6燃料低热值Q_net35500kJ/m³净化天然气7过剩空气系数α1.15—燃烧器出口8环境温度t₀15°C年平均9入炉空气温度t_air15°C无预热10排烟温度t_g180°C设计值11设计余量系数K1.10—热负荷裕量3热负荷计算3.1有效热负荷计算有效热负荷（工艺介质吸热量）是加热炉设计的基础。原油在炉内被加热，无相变，其吸热量按比热容法计算。计算公式如下：Q代入设计基础参数：Q考虑10%设计余量，设计热负荷为：Q3.2热平衡与各项热损失加热炉热平衡以燃料输入热量为基准。各项热损失按反平衡法计算，依据SH/T3045—2024《石油化工管式炉热效率设计计算方法》。（1）排烟热损失q₂：排烟热损失是加热炉最主要的热损失项，与排烟温度、过剩空气系数及燃料种类有关。对于天然气燃料、排烟温度180°C、过剩空气系数1.15的工况，排烟热损失率取：q（2）气体不完全燃烧热损失q₃：天然气燃料燃烧充分，气体不完全燃烧损失主要取决于燃烧器性能与过剩空气量。采用低压比例调节燃烧器时，取：q（3）固体不完全燃烧热损失q₄：气体燃料无固体灰渣排出，固体不完全燃烧热损失为零。q（4）散热损失q₅：散热损失与炉墙表面积、保温层性能及环境温度有关。按炉墙表面温度不超过50°C设计，散热损失率取：q3.3加热炉热效率加热炉热效率按反平衡法计算：η=100%-η=100%-8.5%-0.5%-0-2.0%=89.0%该热效率值满足GB51175—2016中关于原油加热炉热效率不低于88%的要求。3.4燃料消耗量计算燃料消耗量根据设计热负荷与热效率计算：B=代入数值：B=即燃料天然气消耗量约为209m³/h（标准状态）。该值作为燃料气系统设计与燃烧器选型的依据。表3-1加热炉热平衡表（设计工况）项目符号数值单位占输入热量比例输入总热量Q_in6600000kJ/h100%有效吸热量（工艺）Q_load5874000kJ/h89.0%排烟热损失Q₂561000kJ/h8.5%气体不完全燃烧损失Q₃33000kJ/h0.5%散热损失Q₅132000kJ/h2.0%损失合计ΣQ_loss726000kJ/h11.0%4炉膛设计计算4.1炉膛结构形式选择根据原油加热炉热负荷规模及SH/T3036—2012的推荐，本加热炉采用立式圆筒炉结构。辐射室为圆筒形，炉管沿圆周垂直布置；对流室位于辐射室上部，炉管水平排列。该结构具有结构紧凑、占地面积小、炉管热强度均匀等优点，适用于中小热负荷原油加热场景。4.2辐射段热分配与炉管表面热强度辐射段承担加热炉总热负荷的约65%，对流段承担其余35%。辐射段炉管表面平均热强度按原油加热炉典型取值。对于原油介质，为避免炉管内壁结焦，辐射炉管平均热强度不宜超过35kW/m²。辐射段吸热量：Q辐射炉管面积计算：A其中辐射炉管平均表面热强度取q_r=32kW/m²，处于原油加热炉推荐范围（25~35kW/m²）内。4.3炉膛容积热强度校核炉膛容积热强度是衡量炉膛燃烧剧烈程度的指标。对于圆筒炉，炉膛容积热强度一般控制在100~150kW/m³范围内。初步选取炉膛内径D=3.0m，炉膛高度H=4.5m，则炉膛容积：V=q炉膛容积热强度57.7kW/m³，低于规范推荐上限150kW/m³，炉膛容积充裕，燃烧稳定，不会出现局部过热。表4-1炉膛热力参数表参数符号计算值单位规范限值判定辐射段吸热量Q_r1191.7kW——辐射炉管面积A_r37.2m²——炉管表面热强度q_r32.0kW/m²≤35合格炉膛内径D3.0m——炉膛高度H4.5m——炉膛容积V31.8m³——炉膛容积热强度q_V57.7kW/m³≤150合格5对流段传热计算5.1对流段吸热量与对数平均温差对流段吸热量为设计热负荷减去辐射段吸热量：Q对流段烟气进口温度取炉膛出口温度约850°C，出口排烟温度180°C；原油在对流段从约45°C加热至80°C。对数平均温差按下式计算：ΔtΔt5.2对流段传热系数与换热面积对流段传热系数受烟气侧对流换热、辐射换热及管内油品换热综合影响。对于光管对流段，天然气燃料工况下总传热系数取K_c=38W/(m²·°C)。对流段换热面积：A对流段实际布置光管面积取50m²，留有约8%的裕量。炉管规格选用φ114×6mm，材质20#钢，水平错列布置。表5-1对流段计算结果表参数符号计算值单位对流段吸热量Q_c641.6kW烟气进口温度t_g,in850°C烟气出口温度t_g,out180°C原油进口温度（对流段）t_in45°C原油出口温度t_out80°C对数平均温差Δt_m364.7°C总传热系数K_c38W/(m²·°C)计算换热面积A_c46.3m²实际布置面积A_c,act50.0m²6排烟系统与烟囱计算6.1烟气量计算天然气燃料理论空气量约为9.5m³/m³燃料。过剩空气系数α=1.15时，实际烟气量按下式估算：V6.2烟囱抽力计算烟囱依靠热烟气与外界冷空气的密度差产生自然抽力。抽力计算公式：ΔP=g·H·其中：g=9.81m/s²；外界空气密度ρ_a≈1.226kg/m³（15°C）；烟气平均温度约150°C，烟气密度ρ_g≈0.84kg/m³。取烟囱高度H=25m，则自然抽力：ΔP=9.81×25×加热炉系统总阻力（炉体+对流段+烟道）约为80Pa。自然抽力94.7Pa>系统阻力80Pa，满足自然通风要求。为保证抽力裕量，烟囱高度取25m。6.3烟囱直径计算烟囱出口烟气流速取w=8m/s（自然通风推荐范围6~10m/s），则烟囱内径：D=烟囱内径取DN400mm（0.4m），出口实际流速约5.8m/s，处于合理范围。表6-1烟囱计算参数表参数符号计算值单位备注烟气量V_g2611m³/h标准状态烟囱高度H25m自然通风烟囱内径D400mmDN400出口烟气流速w5.8m/s6~10m/s合格自然抽力ΔP94.7Pa需>80Pa系统阻力ΔP_sys80Pa炉体+烟道抽力裕量—14.7Pa满足要求7安全核验7.1炉管管壁温度校核根据ISO13704:2007及SH/T3036—2012，炉管管壁温度是确定炉管壁厚和材质的关键参数。原油加热炉辐射段炉管外壁计算壁温约为280~320°C。本设计辐射炉管选用20#钢（最高使用温度约475°C），管壁温度远低于材质允许温度，安全裕度充足。7.2炉膛热强度限值核验辐射炉管表面热强度q_r=32kW/m²，低于原油加热炉上限35kW/m²；炉膛容积热强度q_V=57.7kW/m³，远低于规范上限150kW/m³。两项热强度指标均在安全范围内，不会出现炉管局部过热结焦或炉膛超温。7.3过剩空气系数核验设计过剩空气系数α=1.15，符合SH/T3036—2012中气体燃料加热炉过剩空气系数1.10~1.25的推荐范围。过剩空气系数过低会导致不完全燃烧，过高则增大排烟热损失。本取值兼顾了燃烧完全性与热效率。7.4防火间距与安全设施核验依据GB50183—2015《石油天然气工程设计防火规范》及GB55037—2022《建筑防火通用规范》，加热炉与站内油气设备的防火间距应满足规范要求。本加热炉布置在站内露天区域，与分离器、储罐等设备的间距按规范不少于15m。安全设施配置：（1）设置熄火保护装置，火焰检测联锁切断燃料气；（2）炉膛设置防爆门；（3）燃料气管线设置紧急切断阀；（4）炉出口温度设置超温报警与联锁；（5）设置长明灯常燃系统。表7-1安全核验汇总表核验项目设计值规范限值依据标准判定辐射炉管表面热强度32kW/m²≤35kW/m²SH/T3036合格炉膛容积热强度57.7kW/m³≤150kW/m³SH/T3036合格过剩空气系数1.151.10~1.25SH/T3036合格热效率89.0%≥88%GB51175合格排烟温度180°C≤200°CSH/T3045合格炉管壁温~300°C≤475°C（20#钢）ISO13704合格防火间距≥15m≥15mGB50183合格熄火保护装置配置必须配置GB50183合格8结果分析与工程指导意义8.1计算结果汇总本加热炉设计计算的主要结果如下：有效热负荷1666.7kW，考虑10%余量后设计热负荷1833.3kW；热效率89.0%；燃料天然气消耗量约209m³/h；辐射炉管面积37.2m²，对流段面积50m²；烟囱高度25m，内径DN400。各项安全核验指标均满足现行标准要求。8.2敏感性分析（1）原油出口温度敏感性：出口温度每升高10°C，有效热负荷增加约833MJ/h，燃料消耗量增加约5.6%。实际运行中应严格控制出口温度，避免超温运行。（2）排烟温度敏感性：排烟温度每升高20°C，排烟热损失约增加1.0~1.2个百分点，热效率相应下降。运行中应定期检查对流段积灰情况，及时吹灰。（3）过剩空气系数敏感性：过剩空气系数每增加0.1，排烟热损失约增加0.8个百分点。建议运行中将过剩空气系数控制在1.10~1.20范围内。8.3工程指导意义本计算书结果对工程实施具有以下指导意义：（1）设备选型：燃烧器处理能力应不小于210m³/h，调节比不小于4:1，以适应冬季与夏季负