相变换热技术在水套加热炉节能改造上的应用

1相变换热技术在水套加热炉节能改造上的应用牛春庆别如山（哈尔滨工业大学，哈尔滨150001）朱利民（大庆油田设计院，大庆163712）摘要：本文介绍了用相变换热技术改造水套加热炉的原理和方法，对改造前后水套加热炉的排烟温度、热效率和燃气耗量等指标进行了测试和分析，并对改造前后水套加热炉的经济性进行了对比。关键词：相变换热、水套加热炉、节能改造。ApplicationofHeatTransferofPhaseChangeinWaterJacketHeaterforEnergySavingBIERu-shan,NIUChun-qing(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)ZHULi-min(DaqingOilfieldConstructionDesign&ResearchInstitute,Daqing163712,China)Abstract:Thispaperpresentsthetheoryandmethodsforremakingwaterjacketheater.Testingresultsofparameterssuchastemperatureofexhaustfluegas,heatefficiency,fuelconsumptionwasgiven.Asanexample,economicbenefitsforacapacityof1.74MWremadewater-jacketheaterwasgiven.Keywords:Heattransferwithphasechange；waterjacketheater；remake1前言水套加热炉在石油、天然气工业中被广泛应用于油气集输系统中对原油、天然气及其井产物的加热，以便实现其输送、沉降、分离、脱水和初加工等工艺过程，是油田最大的自耗气设备之一，其技术水平及装备状况直接影响到油田地面工程建设的技术水平与经济效益。传统水套加热炉一般采用卧式结构，壳体内的烟火管和加热盘管被中间介质“水”包围。加热炉工作时，燃料在炉内下部的火筒内燃烧，燃烧产生的烟气依次通过火筒后的烟管和烟囱排入大气，在这个过程中，燃烧释放的热量通过烟火管管壁传给中间介质“水”，水再加热盘管内流动的被加热介质。在整个传热过程中，水与烟火管和盘管的传热形式为有限空间自然对流传热。由于自然对流是一种强度较弱的换热形式，因此，传统水套加热炉设计热效率一般不超过85%。另外，为满足工艺要求的需要，水套加热炉经常处于带压运行状态，壳侧工作压力一般为0.44MPa，由于加热炉壳体的腐蚀原因使得运行一段时间后的加热炉承压能力下降，使发生裂纹、鼓包、爆管的可能性增加，影响加热炉的安全运行。为保证加热炉的使用寿命，在确定壳体厚度时，往往采用加大壁厚的保守设计，以增加安全裕量，结果使加热炉钢耗量上升，成本增加。为提高传统水套加热炉的热效率，同时提高水套炉尤其是已工作多年的水套炉的安全性，我们对一台在用的水套加热炉进行了相变换热技术改造，使加热炉由原来的正压运行改为负压运行，取得了令人满意的效果。2相变换热技术原理真空相变换热技术包括沸腾和凝结两个传热环节。其技术原理是，在一密闭容器内，将加热部件置于相变介质（一般为水）的液相空间内，受热部件置于相变介质的气相空间内。工作时，加热部件加热相变介质使其沸腾，介质与加热部件间产生沸腾换热。同时，产生的蒸汽上升，在2受热部件的冷却作用下，蒸汽遇冷凝结，介质与受热部件间产生凝结换热。随后，凝结液滴落下来重新汇入液相，如此往复循环。由于凝结换热和沸腾换热是高强度的对流换热形式，因此，与自然对流换热过程相比，相变换热过程具有极高的换热强度。3改造方案水套加热炉现场改造试验是在大庆油田采油二厂南8-1中转站上进行的。该站的2#燃气水套加热炉投产于1983年，运行时间较长，已接近其使用年限。由于常年运行，该水套炉壳体内侧的腐蚀和炉管结垢现象严重。虽然该水套炉设计热效率为85%，但经实测，该炉改造前的实际热效率只有60%左右，燃料浪费惊人。另外，由于腐蚀严重，该炉的运行安全性也大为下降。因此，我们决定用相变换热技术对该水套加热炉进行改造试验。该水套加热炉设计条件见表1。表11.74MW水套加热炉设计条件热功率（MW）设计压力（MPa）额定流量（m3/h）介质温度（℃）排烟温度（℃）热效率（%）工作介质盘管壳体进口出口1.742.20.4445407028085含油污水该水套加热炉为双火筒结构，用相变换热技术对其进行改造，原有的炉管和壳体结构基本保持不变。改造时，首先对水套加热炉进行清垢处理，将人孔、测温孔、排污口、压力表座、安全阀座、真空阀座等密封。同时安装双色水位计、小真空泵、抽气接口、双向电磁真空阀、真空传感器、自控装置、负压爆破片等。壳体内灌装相变传热介质至规定液位，并封装好灌装口。用相变换热技术改造水套加热炉的关键是为加热炉建立合理的负压工作条件。通过以下两种方法可以建立加热炉的负压。一种方法是用真空泵将炉内空气抽出，使炉内真空度保持在-0.01～-0.03MPa。另一种方法是采用“热排法”，即加热炉工作时，通过对相变介质的加热，使其蒸发，产生蒸汽，随着壳体气相空间内的蒸汽分子逐渐增多，蒸汽压力也随之增大。当壳体压力超过当地大气压时，安全阀打开排出壳体内的空气。当盘管内有被加热介质通过时，安全阀关闭，壳体气相空间内的蒸汽遇冷凝结，并滴落下来。对于壳体气相空间来说，由于温度降低，势必导致蒸汽压力的下降，因而形成真空而产生负压。自控抽气系统在下面的情况下自动启动：一种是炉内负压低于-0.03MPa时，双向真空电磁阀自动补充空气，使其负压值不过低。另一种是炉内负压高于-0.01MPa时，小真空泵自动启动抽气，直至真空度达到规定值时停止。加热炉在运行过程中，由于渗漏原因出现液位下降时，应及时进行补漏和补液处理，使壳体内液位恢复到规定值，以免由于液位过低使烟火管从液相露出而烧坏烟火管。4数据分析与经济效益对比3我们在70%～100%负荷范围内对五种不同的负荷工况进行了测试，测试了水套加热炉改造前后的排烟温度、热效率和燃气耗量。加热炉各段受热面积、来液情况及燃气耗量见表2。表2加热炉改造前后受热面积、来液情况及燃气耗量负荷(%)火筒面积(m2)烟管面积(m2)盘管面积(m2)来液进口温度(℃)来液出口温度(℃)来液流量(m3/h)燃气耗量(m3/h)改造前改造后改造前改造后改造前改造后改造前改造后7061.2932.3861.6742.444.958.261.267.165.5157.2135.48060.462.966.167.6176.5152.29062.764.965.568.2196.0169.8956465.865.368.5205.8178.810065.566.865.168.9216.1186.51.74MW水套加热炉改造前后排烟温度和热效率的变化见图1、图2。图1加热炉排烟温度图2加热炉热效率由图可见，水套加热炉经长期运行后，由于受热面结垢等原因，使水套加热炉的换热性能54354654754955239740140540841230035040045050055060065065707580859095100105负荷（%）排烟温度（℃）改造前改造后60.661.161.461.561.871.571.771.871.9725055606570758065707580859095100105负荷（%）热效率（%）改造前改造后4严重恶化，排烟温度远远高于设计排烟温度，热效率大大下降，造成了燃料的极大浪费。通过相变换热技术改造，水套加热炉的排烟温度出现明显回落，在所研究工况范围内，其排烟温度降低了平均约140℃（图1）。由于排烟温度是影响加热炉热效率的主要因素，因此，排烟温度的降低使水套加热炉热效率明显回升，由原来的平均61.3%提高到平均71.8%（图2）。水套加热炉热效率的提高使燃气耗量相应下降。表2显示，在70%～100%负荷范围内，加热炉燃气耗量平均减少了约26m3/h。以加热炉一年工作7200小时计算，经改造后的水套加热炉一年可节约天然气18.7×104m2，天然气价格按0.57元/m3计算，一年可节约燃料费10.7万元。对一台1.74MW水套加热炉按以上方案实施改造，改造总费用约12万元，约一年时间即可收回全部改造投资。因此，水套加热炉经相变换热改造后可起到明显的节能降耗效果，经济效益可观。5结论采用相变换热技术改造在用的传统水套加热炉是可行的，能够有效地提高加热炉热效率，降低能耗，节约运行费用。另外，改造后的水套加热炉其壳体内的工作压力由0.44MPa降低到0.1MPa以下，可作为常压容器使用，给生产管理带来了较大便利，水套加热炉的使用寿命也得到了延长，可相应降低老站改造的一次性投资费用。可见，相变换热技术用于水套加热炉节能改造具有良好的经济和社会效益。