油气田水套加热炉

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1、 Gary H. Palmer, 加拿大马龙尼工业有限公司负责工程监理的副总裁; 1959 年毕业于加拿大阿尔伯达大学获工科学士学位, 是加拿大天然气加工协会会员, 阿尔伯达省注册专职工程师。 马龙尼北京办事处电话: ( 010) 64941301。 传真: ( 010)64941309。油 气 田 水 套 加 热 炉Gary H . PalmerPaula Wendland 张华岩( 加拿大马龙尼公司)Gary H. Palmer 等. 油气田水套加热炉. 天然气工业, 2002; 22( 1): 80 84摘 要 水套加热炉是油气田上广泛使用的油气加热设备。 随着油气价格的不断上涨和对环境

2、保护要求的日趋严格, 油气田的工程师们越来越关注如何改进现有的加热设备以减少燃料消耗并保护环境。 文章通过介绍油气田水套加热炉设计应考虑的基本因素和准则, 提出了提高水套加热炉热效率的方法, 其中包括多个返回管的使用, 过剩空气自动控制和扩大火管对流段的表面积等, 特别是文中所述在火管对流段中安装翅片管, 只要有足够的传热面积, 并设计正确, 要使水套加热炉获得 85%的热效率是可能的。主题词 油气田 加热设备 设计 经验分析 改造水套加热炉设计应考虑的 基本因素和经验法则1. 可用于判断加热炉的设计是否合理经验法则( 1) 间接加热炉的传热强度 这一经验规则适用于乙二醇水溶液浓度在 50%以

3、下的水浴炉和纯水水浴炉, 其平均热强度通常为27 125 kcal/hm2( 最大) ( 1 kcal/h =1. 163 W) 。一些厂商使用 33 906 kcal/hm2的热强度 ,高的热强 度可以减小炉子的传热面积, 但会导致较高的烟囱温度并降低热效率。在计算热强度时 , 应采用加热炉实际操作时的热负荷。这通常有别于炉子设计的热负荷。 ( 2) 火管的直径 自然通风加热炉横截面积热强度可随炉管直径的改变而稍有改变,但通常的炉子都在 3 124 806 kcal/hm2( 最大) 左右。对于 914 mm 直径以上的火管, 可采用3. 91 106kcal/hm2,而 150 mm 的火

4、管, 可采用 2 . 34 106kcal/hm2,该值也受海拔高度的影响, 在海平面时增加 10 %,在海拔 3 043 m 时应减少 20%。 如果横截面积过小 , 将难以从炉中得到足够的热量 , 并需要较高的烟囱以克服由于火管直径小而产生的较大的烟气流动阻力及由此形成的抽力不 足。火焰的稳定性变差 ,且容易造成熄火。如果横截面积过大,火焰会上升到火管的顶部 ,导致火管下部传热不良 。除非火管很长, 热强度很低, 否则烟囱的温度会升高, 在竖立式处理器上那种短而粗的加热器可能会存在这方面的问题。如果燃料气中有 1 % 以上的H2S , 则需要 25%以上的过剩空气, 对于酸性 燃 料 ,

5、横 截 面 积 热 强 度 应 由 3. 12 106kcal/h m2减少至 2. 34106kcal/hm2,以确保酸气的完全燃烧 。火焰的突然熄灭常导致少量固体燃烧 产物的形成, 若在烟囱的弯头处装个喷嘴可使固体物质的清除变得方便 。( 3) 火管的长度假设炉子的长度等于炉子的面板至 U 型弯头中 心的距离, 直径为以英尺计算的火管内径, 根据经验L/D 不应超过 15,如果能很好地遵守上述长度和直径的测量方法, 这一规则在应用于普通的间接加热 炉时能得到很好的效果。如果 L/D 超过 15, 加热炉的热强度将难以达到 27. 125 kcal/hm2, 且由于炉子的阻力较大, 使烟气不

6、能及时地从燃烧区域中清除掉。炉子会产生很大的噪音, 火焰被闷在其产生 的烟气中很容易熄灭。然而在低热强度的情况下,高的 L/D值反而能提高炉子的热效率, 尽管这不是一种经济的提高热效率的方法 。 如果 L/D 值很低 ,如 5 或更低,烟囱的温度会升高 ,在保持 27. 125 kcal/hm2的热强度时热效率会大大降低, 用于竖立式处理器上那种短而粗的加热炉就是这种情况 ,它们的烟囱通常被烧得通红 。 ( 4) 烟囱的高度假设加热炉的有关参数 , 如热强度 、直径 、L/D80工 程 建 设 天 然 气 工 业 2002 年 1 月比值都符合上述三条经验法则的要求 , 对一个 U 型火管加热

7、炉来说, 烟囱的最小高度应为炉子长度的75%。无论如何烟囱不应小于 3 m 。 该经验法则是基于炉子上安装有尺寸合适的波纹板铝质阻火器的假设上的, 火焰捕集器的压力降为 1. 3 1. 8 mm 水柱。很多加热炉的烟囱很高, 具有很强的抽力, 因而 常吸入过多的过剩空气 , 特别在加热炉操作于较小的热负荷时更是如此 , 这也是引起加热炉燃料效率低的主要原因之一。 2. 现有加热炉的调节假设加热炉设计的各个基本要素都在上述经验法则要求的范围之内 , 那么我们就可以通过对加热炉进行现场调节来改善其操作, 找出操作不当的原 因后 ,通过现场修正 ,很容易将其热效率提高到 65% 70 %,达到加热炉

8、的基本热效率 。3. 燃烧空气的讨论经由阻火器进入加热炉的燃烧空气由三部分组 成: 一次风, 二次风 , 以及过剩空气。一次风与二次风相加等于燃烧所需的化学当量空气 , 相当于氧化燃料气中包括 H2S 在内的所有可燃组分所需的空 气。过剩空气是吸入炉子的空气中多于燃料燃烧所需空气的部分。( 1) 一次风一定压力下的燃料气流经文丘里管时, 被吸入 混合器并与之混合的空气称为一次风 , 一次风约占化学当量空气的 1/3。一次风的调节通常包括调节燃料气喷嘴, 燃料气压力以及一次风门开度。使之 相互配合合理。燃料气的燃烧是从燃烧器的头部开始的 。在这里, 很富的一次混合物与二次风相混合并发生燃烧反应

9、。在火管中, 二次风通过燃烧器周围的环形空 间进入炉膛。火焰的强度和形状通常取决于燃烧器头部的特征 。STICKTITE 型燃烧器会在燃烧器头部产生一些旋涡 ,并使一次混合物与二次风混合 ,产 生的火焰很密, 很强, 温度很高 , 但相对较短。正相反,FERROFIX 型燃烧器产生的则火焰较薄 ,强度较弱,很长, 像火炬 。在燃料气质量比较好的情况下, 如果一次风调 节得好,可得到蓝色的火焰, 并可看到有黄颜色的火苗在其中闪动。由于通常油田所用的燃料气质量较差而不能采用这种以颜色作为标准的调节方法 。有 经验的操作人员常会根据声音和火焰的总体表现来完成一次风的调节。( 2) 二次风二次风在燃烧

10、器的头部与燃料气和一次风的一次混合物开始混合。它们在燃烧器头部混合的程度确定了火焰的温度以及在火焰区内热释放的强度。如果空气和燃料气的混合很完全, 火焰的燃烧将很接近化学当量燃烧的强度 ,火焰温度高达 1 926左右 ,这种火焰通常不适用于火管式加热炉, 其原因有二个: 在温度超过 1 093时, 会有大量的氧氮化合物产生, 在 1 926的高温下, NO2的排放将成问题 ,因此,要求低于 1 093时, 才可不必担心这一问题 。 由于辐射热强度遵循的是玻耳兹曼四次方定律 ,1 926 高温火焰的辐射热强度非常高 , 在火焰区会引起金属火管的过热, 并导致金属火管的变形和腐蚀等。在高温下, 传

11、热强度太高会引起水溶液的核状沸腾 ,甚至膜状沸腾。因此,在燃烧器头部的附近需要控制一次混合物与二次风的混合程度 ,以降低火焰的温度及其对火管的辐射强度 。( 3) 过剩空气过剩空气与燃烧所需的当量空气一起进入加热炉后, 在燃料气的燃烧过程中被加热到火焰的温度,并与燃料气正常燃烧产物一起排出烟囱。过剩空气会稀释燃烧产物混合物, 降低炉子的温度, 减少传热量 , 降低烟囱温度并增加加热炉燃烧系统不必要的热负荷 ,如果对进入炉子的过剩空气量不加控制 ,其在烟道气中额外带走的热量占炉子产生热量的比例可以等于甚至超过工艺流体获得的有用热量, 在大多数情况下, 不加控制的过剩空气的进入是导致加热炉低效率最

12、常见的原因 ,反过来说 ,若发现一个加热炉的热效率仅有 30% 50 %, 通常可以追查到过剩空气方面存在问题 。实际上 ,加热炉不可能在当量空气的情况下使燃料气燃烧完全, 为氧化未完全燃烧的碳氢化合物和一氧化碳 , 需要过量氧气的存在 , 不过, 在燃料气质量较高的条件下 , 良好的操作可以使燃烧很接近当量的程度 ,通过细心的调节 ,过剩空气可以降低到5 % 以下,在一些情况下甚至可降低到 2%,这取决于燃料气的质量和各个加热炉的特性 。若燃料气中含有高达 1% 的 H2S ,须考虑使用较多的过剩空气, 如使用高达 25%的过剩空气系数等, 以防止燃烧产物中出现固体形式的硫并沉积于炉子内。燃

13、烧酸性燃料气所需额外的过剩空气会影响阻火器的尺寸, 并在一些情况下影响加热炉的尺寸。81第 22 卷第 1 期 天 然 气 工 业 工 程 建 设水套加热炉设计的改进在大多数情况下 , 油田加热炉都是自然通风式 的。为进行好的自然通风, 烟道气必须足够热。总的来说 ,很难为水浴加热炉设计一个既能成功地在满负荷操作,而烟囱的温度又不超过 192. 6 的自然通风系统。但一个设计得好的自然通风型加热炉 , 其效率可达 90%。大部分以提高加热炉热效率为目的的设计改进都会增大炉子对流段的传热面积以便在烟气进入烟囱之前吸收更多的热量 。传热面积越 大,自然通风系统需要克服的流动阻力就越大, 必须仔细平

14、衡压力降与烟囱高度之间的关系 , 以确保足够的烟囱抽力。克服自然通风式加热炉的局限性的方法之一是 使用强制通风式加热炉。在自然通风式加热炉中 ,只有几毫米水柱的压差可以利用, 而在强制通风的炉子中可有高达几十毫米水柱的正压可以利用, 这就大大增加了设计者改善炉子效率的方案选择范 围,强制通风加热炉的局限性是需要用电。强制通风加热炉在实际应用中的另一个问题是难以在整个操作范围内保持合适的空气与燃料气的比例 。燃料 气的控制阀门是与控制空气量的蝶阀连在一起的 。由于鼓风量没法准确控制 ,因而趋向于较大的过剩空气量 ,导致效率降低。强制通风可以从降低烟囱的温度提高几个百分点的燃烧效率, 但更多的过剩

15、 空气进入炉子而又损失多个百分点的效率。作为一种理想的情况, 可以通过氧含量监控仪来控制进入炉子的空气量, 并通过保持过剩空气量在 5% 以下而 使炉子效率更高 。但目前这种高精度的控制在油田加热炉中还不实用。强制通风加热炉另一种不受欢迎的特性是, 它们的每种设计都会使燃料气与空气在燃烧器出口引起很强烈的混合, 从而产生一种高 温、 强烈、高辐射率的火焰, 并大大提高氧氮化合物的浓度。1. 多个返回管 一种相当普遍的改善加热炉效率的方法是使用多个返回管来取代常规 U 型火管加热炉标准的单个返回管。最简单的多管炉是 Y 型炉。炉中装有一个主火管和两根返回管。返回管的直径比主火管小 。 多个返回管

16、炉子比单个 U 型管炉子效率更高的原因有两个: 在气体质量流速一定的条件下, 小管子比大管子有更高的管内传热膜系数, 对 Y 型炉来说 ,差 别不是太大 , 大约高 10%左右。但对于有很多小直径返回管的船用型炉子来说, 小管子的管内传热膜系数可以达到大管子传热膜系数的 2 3 倍。 在多个返回管的情况下 , 在一定的空间内可安装更大的传热面积 ,这使实现低传热强度成为可能。 ( 1) Y 型炉Y型炉安装有一根主火管 , 主火管一端的内部是燃烧器, 较远的另一端用蝶形封头将火管封住 ,并在该端用弯管将两根返回管与主火管连在一起( 见 图 1) 。一般情况下用 3. 12 106kcal/hm2经验法则来确定返回管的尺寸, 也就是说, 返回管的总横截面积约等于主管的横截面积 。这样, 返回管的直径 应为主管直径的 70. 7%, 经圆整即得到常用火管管材的直径。图