淺談水套爐整體生產(chǎn)設(shè)備及設(shè)備

淺談水套爐整體生產(chǎn)設(shè)備及設(shè)備

油田儲(chǔ)水裝置是油田氣田生產(chǎn)和輸送中的主要能源設(shè)備。目前，中國(guó)各地都使用著2000多臺(tái)水裝置。近年來(lái),油田水套爐的設(shè)計(jì)在應(yīng)用小煙管強(qiáng)化換熱及微正壓燃燒通風(fēng)技術(shù)、螺旋管式加熱盤(pán)管及波形火筒和螺紋煙管強(qiáng)化傳熱技術(shù)、熱管傳熱技術(shù)、相變傳熱技術(shù)、水套爐控制技術(shù)等方面取得了較大的進(jìn)步,水套爐的設(shè)計(jì)熱效率達(dá)到83%~90%,但在金屬耗量、設(shè)備小型化等方面并沒(méi)有突破性的進(jìn)展,甚至向相反的方向發(fā)展。從傳熱的角度來(lái)看,目前制約水套爐技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題主要在于煙氣與煙管的對(duì)流換熱和被加熱介質(zhì)原油與加熱盤(pán)管的換熱,特別是前者。筆者從強(qiáng)化火筒和煙管傳熱的角度出發(fā),在研究應(yīng)用三維內(nèi)肋管強(qiáng)化傳熱技術(shù)優(yōu)化加熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)水套爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化,并將研究開(kāi)發(fā)的1750kW油田新型高效水套爐與相同型號(hào)的真空加熱爐在熱效率和金屬耗量方面進(jìn)行對(duì)比。1爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化水套爐主體結(jié)構(gòu)包括殼體、加熱盤(pán)管和加熱系統(tǒng)3部分,其中加熱系統(tǒng)主要由以輻射換熱為主的火筒、以對(duì)流換熱為主的煙管和煙囪3部分組成,影響水套爐熱效率和結(jié)構(gòu)尺寸的因素包括加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、加熱盤(pán)管的結(jié)構(gòu)及其被加熱介質(zhì)的性質(zhì)、水套爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置方式等。爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的一是強(qiáng)化火筒的輻射換熱和煙管對(duì)流換熱,降低排煙溫度,提高水套爐熱效率;二是改善爐體結(jié)構(gòu)和整體配置性,降低水套爐設(shè)計(jì)壓力和金屬耗量;三是簡(jiǎn)化制造工藝。油田高效水套爐性能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要從研制新型的火筒煙管結(jié)構(gòu)、改進(jìn)換熱盤(pán)管結(jié)構(gòu)和布置方式、優(yōu)選熱媒添加劑和整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行考慮,使水套爐的技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到新水平。1.1強(qiáng)化傳熱技術(shù)優(yōu)化熱負(fù)荷分配關(guān)系加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要在研究火筒煙管傳熱特性、火筒煙管熱負(fù)荷分配關(guān)系對(duì)加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,應(yīng)用三維內(nèi)肋管強(qiáng)化傳熱技術(shù)優(yōu)化加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu),達(dá)到小型化、高效化的目的。1.1.1水套爐熱負(fù)荷水套爐火筒輻射傳熱計(jì)算一般采用以下公式:QRr=AftBc{C[(Tg100)4?(Tw100)4]?hRc(Tg?Tw)}QRr=AftBc{C[(Τg100)4-(Τw100)4]-hRc(Τg-Τw)}.(1)式中,QRr為煙氣以輻射方式直接或間接對(duì)火筒輻射的傳熱量,J/kg(燃油)或J/m3(燃?xì)?;Tg為輻射方式中煙氣的平均溫度,一般取火筒出口煙氣的溫度,K;Tw為火筒壁平均溫度,可以取火筒外側(cè)的介質(zhì)溫度,K;Aft為火筒受熱面積,m2;Bc為計(jì)算燃料消耗量,kg/s(燃油)或m3/s(燃?xì)?;C為火筒輻射系數(shù),一般取4.4~4.6W/(m2·K4),燃油時(shí)取較大值,燃?xì)鈺r(shí)取較小值;hRC為火筒內(nèi)煙氣對(duì)火筒壁的換熱系數(shù),W/(m2·K)。從式(1)可以看出,在水套爐熱負(fù)荷一定的情況下,火筒部分的輻射熱負(fù)荷除受火筒換熱面積影響外,還受火筒出口煙氣溫度的影響。如何合理經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)火筒換熱面積、分配水套爐輻射段的熱負(fù)荷比例,是水套爐設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。從設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,傳統(tǒng)水套爐多采用兩回程結(jié)構(gòu),火筒和煙管熱負(fù)荷的比例為6∶4左右,火筒長(zhǎng)度在9m以上?；鹜藏?fù)荷率偏大,導(dǎo)致火筒結(jié)構(gòu)不合理,是造成水套爐結(jié)構(gòu)龐大、金屬耗量高的一個(gè)重要原因。以1750kW的燃?xì)馑谞t為例,根據(jù)火焰的直徑及相關(guān)要求,火筒直徑確定為800mm,火筒長(zhǎng)度不小于3.5m。經(jīng)計(jì)算后得到火筒長(zhǎng)度與其出口排煙溫度及火筒負(fù)荷率的關(guān)系如圖1所示。從式(1)還可以看出,煙氣出口溫度對(duì)水套爐輻射段火筒熱負(fù)荷的影響占主導(dǎo)地位。而從圖1可以看出,火筒長(zhǎng)度對(duì)火筒熱負(fù)荷的影響較小,火筒長(zhǎng)度由4m增大到9m,火筒總長(zhǎng)度增大了1.25倍,而熱負(fù)荷的比例僅僅增加10%。因此,傳統(tǒng)水套爐通過(guò)增大火筒換熱面積來(lái)提高熱效率的方法,從傳熱角度和經(jīng)濟(jì)效益角度來(lái)看不是很合理;另外,采用該方法還會(huì)降低爐膛溫度,從而影響燃料的燃燒效果。因此,考慮到燃料燃燒對(duì)火筒結(jié)構(gòu)的要求,1750kW型燃?xì)馑谞t的火筒長(zhǎng)度不宜超過(guò)5m,火筒長(zhǎng)度減小后,應(yīng)考慮增大煙管的換熱面積或強(qiáng)化煙管的換熱效果。1.1.2煙管長(zhǎng)度對(duì)水套爐排煙溫度和效率的影響在水套爐設(shè)計(jì)中,煙氣與煙管的對(duì)流換熱量一般采用以下公式計(jì)算:Qhr=αFΔTBcQhr=αFΔΤBc.(2)式中,Qhr為煙氣對(duì)流換熱量,J/kg(燃油)或J/m3(燃?xì)?;α為煙氣對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);F為煙氣對(duì)流換熱面積,m2;ΔT為對(duì)數(shù)平均溫差,K。由式(2)可以看出,在水套爐燃料消耗量一定的情況下,煙氣與煙管的對(duì)流換熱量主要與對(duì)流換熱系數(shù)、換熱面積和對(duì)數(shù)平均溫差有關(guān)。以1750kW水套爐為例,分析在煙氣流通面積一定的情況下,煙管管束長(zhǎng)度的變化對(duì)水套爐排煙溫度和水套爐熱效率的影響。假定煙管管束為26根Φ89mm×4.5mm的小煙管,在額定熱負(fù)荷下,煙管進(jìn)口的溫度假定為921.5℃,對(duì)流換熱面積與煙管管束的長(zhǎng)度成正比。煙管管束長(zhǎng)度與水套爐排煙溫度及水套爐熱效率的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出,增加煙管管束長(zhǎng)度(即增大對(duì)流換熱面積),可以有效地降低水套爐的排煙溫度、增大水套爐的熱效率。因此,采用三回程的加熱結(jié)構(gòu)代替目前的兩回程結(jié)構(gòu),增加煙管管束的長(zhǎng)度(即增大換熱面積),可以大幅度提高水套爐的設(shè)計(jì)熱效率。但隨著煙管管束長(zhǎng)度的增加,圖中曲線斜率的絕對(duì)值逐步減小,也就是說(shuō),通過(guò)增加煙管長(zhǎng)度來(lái)降低排煙溫度、增大水套爐熱效率的方法,其成本是逐步增大的,而且會(huì)給水套爐結(jié)構(gòu)的布置帶來(lái)困難。因此,強(qiáng)化煙管對(duì)流換熱強(qiáng)度是優(yōu)化水套爐結(jié)構(gòu)的一個(gè)重點(diǎn)。1.1.3提高水套爐的水耗量,減少水套爐的市場(chǎng)在水套爐的煙氣受熱面中,對(duì)流受熱面積一般要占60%~70%,對(duì)流傳熱在很大程度上影響到水套爐的熱效率、鋼耗量和外形尺寸,如何提高對(duì)流段的換熱系數(shù),減少對(duì)流受熱面的面積,在提高水套爐熱效率的同時(shí),降低水套爐的金屬耗量和水套爐的造價(jià),是水套爐優(yōu)化設(shè)計(jì)面臨的基本問(wèn)題。近年來(lái),有采用螺紋管作為小煙管的,其換熱系數(shù)能夠達(dá)到光管的1.5倍左右,應(yīng)用后水套爐的效率有所提高;三維內(nèi)肋管是一種新式高效強(qiáng)化傳熱元件,近幾年來(lái)逐漸成為研究應(yīng)用的熱點(diǎn),目前,三維肋管的熱力、阻力計(jì)算依賴于實(shí)驗(yàn)資料。研究表明,煙氣與三維內(nèi)肋管的對(duì)流換熱系數(shù)可以達(dá)到光管的3.2倍,三維內(nèi)肋管的范寧摩擦因子則是光管的4.6倍。因此,應(yīng)用三維內(nèi)肋管作為高效水套爐的煙管,可以有效地提高水套爐的熱效率,同時(shí)可以減小水套爐的火筒煙管長(zhǎng)度,有利于降低水套爐的金屬耗量,但需要合理地控制煙氣阻力。1.1.4煙管結(jié)構(gòu)優(yōu)化火筒煙管的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了水套爐的空間利用率,優(yōu)化水套爐結(jié)構(gòu)形式是降低水套爐金屬耗量的一個(gè)重要途徑。總體上講,水套爐的火筒煙管結(jié)構(gòu)包括火筒、煙管和煙囪3部分,常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式主要是“U”形管結(jié)構(gòu),由于受結(jié)構(gòu)特性的限制,一般布置在水套爐殼體的中部,造成設(shè)備的空間利用率較低,約為40%,因此,優(yōu)化火筒煙管的結(jié)構(gòu)將使降低水套爐的金屬耗量存在較大的潛力。采用三維內(nèi)肋管強(qiáng)化傳熱技術(shù),通過(guò)增大火筒輻射換熱強(qiáng)度和煙管對(duì)流換熱強(qiáng)度,重新分配水套爐輻射段和對(duì)流換熱段熱負(fù)荷的比例,優(yōu)化設(shè)計(jì)了新型的裙式火筒煙管結(jié)構(gòu),三維內(nèi)肋管式煙管設(shè)置在火管周側(cè),一端與設(shè)在煙囪下端的煙箱連通焊接,另一端與火筒連通焊接。新型的裙式煙管火筒結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度僅為常規(guī)結(jié)構(gòu)的一半,體積僅為原來(lái)的1/3左右,而熱效率能夠達(dá)到90%以上。1.2耦合流動(dòng)計(jì)算模型優(yōu)化水套爐換熱盤(pán)管主要用于原油的加熱,其管外換熱系數(shù)很高,換熱阻力主要來(lái)自管內(nèi),是強(qiáng)化換熱的重點(diǎn)。目前,主要通過(guò)控制流體的流態(tài)或采用高效傳熱元件來(lái)強(qiáng)化傳熱,采用螺旋槽管,換熱系數(shù)一般可以提高50%左右,但盤(pán)管阻力約增大一倍,另外,由于螺旋槽管的造價(jià)較高,一般根據(jù)被加熱介質(zhì)的性質(zhì),經(jīng)過(guò)綜合評(píng)價(jià)后決定是否采用。流體流態(tài)的控制需要根據(jù)原油的特性,綜合考慮系統(tǒng)阻力和傳熱系數(shù)。傳統(tǒng)形式的換熱盤(pán)管管束流通面積是不變的,進(jìn)口被加熱原油的溫度低、粘度大,換熱和流動(dòng)的阻力都很大,起始段盤(pán)管成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸;而原油升溫后粘度迅速降低,此時(shí)流動(dòng)速度不變,盡管流動(dòng)阻力迅速減小,而換熱系數(shù)卻變化不大,沒(méi)有充分發(fā)揮加熱盤(pán)管的作用。因此,整個(gè)系統(tǒng)的流通阻力偏高,而換熱系數(shù)卻偏小?？紤]原油的粘溫關(guān)系,采用一維耦合流動(dòng)計(jì)算模型優(yōu)化調(diào)整換熱盤(pán)管管束的流通面積(在低溫段通過(guò)增大流通面積減少原油流動(dòng)阻力,在高溫段通過(guò)逐步增大原油流速?gòu)?qiáng)化換熱),避免了整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)瓶頸問(wèn)題,同時(shí)又提高了原油的整體流動(dòng)速度,達(dá)到了降低流動(dòng)阻力和強(qiáng)化換熱的雙重目的,從而實(shí)現(xiàn)加熱盤(pán)管的整體優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的1750kW水套爐的加熱盤(pán)管換熱面積減少25%左右,而流動(dòng)阻力減少了30%左右。1.3熱媒介質(zhì)飽和蒸汽壓熱媒介質(zhì)在水套爐內(nèi)是傳熱的中間環(huán)節(jié),熱媒與火筒間的換熱為沸騰換熱,與換熱盤(pán)管間為凝結(jié)換熱,換熱系數(shù)都很高,是換熱盤(pán)管和煙管的幾十倍甚至上百倍。熱媒介質(zhì)優(yōu)選的目的不是強(qiáng)化換熱,而是降低熱媒介質(zhì)的啟動(dòng)溫度與飽和蒸汽壓。熱媒介質(zhì)的飽和蒸汽壓是決定水套爐運(yùn)行壓力和殼體設(shè)計(jì)壁厚的重要參數(shù)。用水作熱媒時(shí),熱媒設(shè)計(jì)溫度為120~150℃,對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓為0.1~0.4MPa(表壓);而采用GPT工質(zhì),對(duì)應(yīng)的絕對(duì)飽和蒸汽壓為0~0.1MPa(表壓);采用ZGM工質(zhì),其對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓更低,但造價(jià)會(huì)大幅度上升。采用GPT工質(zhì)作為熱媒后,水套爐的設(shè)計(jì)壓力可以由0.45MPa(表壓)降低到0.1MPa(表壓)。一般情況下,水套爐在微正壓或負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行,大幅度提高了水套爐的安全性,并降低了水套爐的造價(jià)。1.4水套爐性能優(yōu)化油田水套爐的整體優(yōu)化是在火筒煙管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、換熱盤(pán)管結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化以及熱媒介質(zhì)優(yōu)選的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先,將裙式結(jié)構(gòu)的新型高效火筒煙管布置在殼體的內(nèi)下部,不但大幅度減少了水套爐結(jié)構(gòu)尺寸,提高了殼體的空間利用率,而且大幅度減少了中間傳熱介質(zhì)的添加量,從而使水套爐的熱容量減小,縮短起爐時(shí)間,達(dá)到高效節(jié)能的目的;其次,采用多管程變徑管束作為換熱盤(pán)管,在降低流通阻力的同時(shí),提高了換熱系數(shù),并增加了單位筒體體積內(nèi)換熱盤(pán)管的面積。采用熱媒添加劑降低熱媒的飽和蒸汽壓,將水套爐的設(shè)計(jì)壓力由0.45MPa降低到0.1MPa,筒體和火筒的厚度降低40%左右;最后,優(yōu)化了水套爐的整體結(jié)構(gòu),筒體直徑減少21.4%,同時(shí)筒體長(zhǎng)度減少一半左右。通過(guò)水套爐性能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置,1750kW油田新型水套爐設(shè)計(jì)熱效率由83%提高到90%以上,同時(shí),水套爐的鋼材耗量降低到5.17t/MW。對(duì)于大型水套爐,仍有潛力可挖。2新型高效水套爐與熱壓法新型高效水套爐采用兩回程的裙式火筒煙管結(jié)構(gòu)形式,見(jiàn)圖3。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于:設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、空間有效利用率高,爐內(nèi)需要填充的中間傳熱介質(zhì)少、加熱爐啟動(dòng)速度快。與傳統(tǒng)水套爐的不同之處在于:(1)新型高效水套爐的煙管一端直接與火筒連接,另一端直接與殼體連接,火筒尾部不設(shè)煙箱或孔板,煙管一般不高于火筒頂面,結(jié)構(gòu)緊湊、可以打開(kāi)人孔或堵板在殼體內(nèi)部進(jìn)行檢修;(2)采用三維內(nèi)管作為煙管,傳熱能力顯著高于光管或螺紋管,火筒煙管的熱負(fù)荷強(qiáng)度大,爐膛溫度高,燃料燃燒也更為完全;(3)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)尺寸小、鋼材耗量低,實(shí)現(xiàn)了小型化、高效化;(4)煙氣沖刷煙管時(shí),存在肋間加速,煙氣流場(chǎng)擾動(dòng)大,沖灰能力強(qiáng);(5)新型水套爐的爐膛阻力高于普通正壓爐,需對(duì)燃燒器作特殊設(shè)計(jì)。3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用3.1盤(pán)管工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的1750kW新型水套爐,在勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),其主要技術(shù)參數(shù)如下:額定熱負(fù)荷1750kW,殼體工作壓力-0.005~0.1MPa,工作溫度90~110℃,盤(pán)管的設(shè)計(jì)壓力1.6MPa,進(jìn)口溫度40℃,出口溫度80℃,排煙溫度168℃,燃料為天然氣,設(shè)計(jì)熱效率為90%,外形尺寸為Φ2200mm×5500mm,單位金屬耗量為5.17t/MW。3.2水套爐運(yùn)行性能1750kW新型水套爐投用后,邀請(qǐng)中國(guó)石化加熱爐檢測(cè)評(píng)定中心洛陽(yáng)中心站對(duì)該水套爐進(jìn)行了測(cè)試,部分測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1的數(shù)據(jù)可以看出,1750kW新型水