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1、气田用水套炉设计研究摘要水套炉是油气田勘探开发中的重要设备之一，是在井场用来给油气井产出的油气进行加热的装置。特别是我国例如大庆油田等老油田进入高含水期及稠油和天然气的开发，加热炉显得愈发的重要。管式加热炉火焰直接加热生产介质，升温快但不安全。火筒式加热炉通过火筒加热炉壳内的生产介质，但结构件上容易结垢。然而水套炉的加热装置通过加热炉体内的水，再由水将热量传导给加热盘管中的介质，由于其加热装置不与生产介质直接接触，故安全性较高。水套炉近年来已经被广泛应用于各大油气田，但水套炉传热效率偏低，炉体钢材消耗量大，运行中易失水，需要经常补水。近来年，自动化是流程设备的发展方向，油气田地面工程也不例外。
2、将传统火筒加热装置改为电加热装置，将一系列的部件通过集成电路控制，可以更为方便的实现自动化，实现无人值守与远程控制，同时减少易燃易爆介质，大大增加了安全性能。智能电路控制，温控恒定，稳定性高。简单来说采用电加热式水套炉安全性高，效率高，结构简单，集成化程度高，占地面积小。关键词：加热炉；水套炉；电加热AbstractWater jacket furnace is one of the important equipment in the oil and gas field exploration and development, it is a device that be used to h
3、eat the oil and gas in the well field. In particular, China for example, the old oil field Daqing Oilfield, etc. into the development of high water and heavy oil and natural gas, furnace becomes increasingly important. Tube furnace use flame direct to heat production medium, heating up fast but unsa
4、fe. Fire Drum furnace heat the production medium by the fire barrel heating, but the structure is easy to scale. However ,the water jacket furnace heat the production medium through the furnace ,then the water will heat the production medium in coil. Since the heating means is not in direct contact
5、with the production medium, so security is high. Water jacket furnace has been widely used in oil and gas field in recent years. However, the heating transfer of water jacket furnace is low, furnace steel consumed in large, easy to run water loss, requiring constant replenishment. Recently, the auto
6、mation is the development direction of process equipment ,oil and gas field surface engineering is no exception. The conventional fire tube heating system instead of electric heating devices, the number of parts controlled by an integrated circuit. It can more easily achieve automation, unattended a
7、nd remote control, while reducing the explosive media, greatly increasing security. Intelligent circuit control, constant temperature, high stability. In simple terms the use of electric heating jacket heater safety, high efficiency, simple structure, high degree of integration, small footprint.Keyw
8、ords: Furnace; Water jacket furnace; Electric heating35目录第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2本文的主要研究内容1第2章 油气田水套炉技术发展现状32.1 水套炉的基本结构形式32.2水套炉主要技术进展42.2.2微正压燃烧通风技术42.3水套炉的主要发展方向52.3.2燃烧器研究52.3.3自动化控制与监测技术的应用52.4电加热水套炉结构设计的提出及优势52.4.1采用电加热器特点52.4.2结构优点6第3章 水套炉结构设计73.1设计的原始数据73.2基本参数的拟定73.2.1平均温度、对数平均温差73.2.4盘管长度、弯头、
9、壁厚选择93.2.5盘管结构、根数选择93.2.6盘管整体尺寸93.2.8筒体材料选取、壁厚选择103.2.9筒体封头结构选择及厚度113.2.10筒体有效容积及所需水的体积123.3各附件、仪表的结构选择和连接布置133.3.1注水口及水箱的设计连接133.3.2排污口的尺寸设计及布置143.3.3鞍座、吊耳的尺寸及位置143.3.4盘管支撑结构设计153.3.5安装盘管、电加热器处的封头设计153.3.6安全阀的选取、布置连接163.3.9法兰式电加热器的选型183.3.10保温层的选择193.4水套炉计算校核193.4.1盘管热力计算193.4.2盘管承压强度校核253.4.3 保温层计
10、算273.5各附件的焊接293.5.1焊接要求29第4章 结论与建议324.1结论324.2建议32致谢33参考文献34第1章 绪论1.1研究背景及意义自油田地面工程发展以来，水套炉以其可靠的安全性能，在油田地面工程中获得广泛的应用，特别是在中转站、联合站内逐渐替代直接火筒加热炉、管式加热炉。水套炉的工作原理为：由炉体底部的加热装置加热炉体内的中间介质水，中间介质水吸收热量，炉套内的水再讲热量与盘管内的气体进行交换，由此来达到加热天然气的目的。此种方法安全可靠。目前国内的水套炉的加热装置都是燃烧器将燃料雾化喷入火筒中燃烧，烟气通过烟管与炉体中的中间介质水进行换热。但对于出产气质量偏低的油气田来
11、说不能直接使用井内出产的天然气作为燃料气，必须使用燃料专线的天然气供给燃料。并且此种水套炉的操作人必须经过专业培训，水套炉在工作过程中必须有专人值守。难以实现自动化及远程控制。目前，我国加热炉所用燃料主要是管道原油。使用该种燃料油以下的缺点：原油粘度大，雾化能耗大；价格高昂；需要高品位原油，浪费战略物资。由于以上原因，不妨将传统的使用管道原油的加热装置改为电加热装置，电路的铺设相对于原油或燃气管道的铺设较为简单。若将传统水套炉的加热装置改良为电加热装置，易于实现自动化及其远程控制，并且可以大幅度简化水套炉的结构。同时采用高性能保温材料，使散热损失降低到较小的程度，相关计算结果表明，加热炉的设计
12、效率可以高达95%。采用电加热与采用燃气加热相比，降低易燃易爆介质，电加热对设备的使用更加安全，同时电加热器尺寸小，结构简单，国内制造水平成熟。同时，本次设计同样着重提高设备的紧凑型，高效性和可靠性。具体采取的措施有：采取小管径盘管、增大吸热面积、采用高效耐热的保温材料、提高加热炉体积热强度、选用自动化水平高的加热器。1.2本文的主要研究内容本论文的研究内容主要就是针对给定的具体的天然气加热需求及工艺，在学习、调研国内外传统水套加热炉的结构、性能、优缺点的基础上，运用传热学相关理论、机械设计、材料力学、工程制图等理论工具计算、设计、校核、布置、设计出一台高效水套加热炉，并绘制其装配图。首先学习
13、了解水套炉的结构、原理、类型及优缺点，接着结合前人的研究成果分析影响水套炉性能的可能因素并针对这些因素提出对应的改良方案和建议。结构设计先从水套炉的被加热介质处理量及输入输出温度等基本参数入手计算水套炉的热负荷并选择对应功率的电加热器，然后根据热负荷求出盘管的传热面积，由被加热介质的流量、流速、压力计算选择盘管的尺寸与形式；再由电加热器和盘管的尺寸结合水套炉设计相关标准计算、选择水套炉筒体、封头等主要零部件的尺寸，然后再按需求设计、选择用于水套炉安放、监测、泄压等功能的附件或接口；接下来选取水套炉的重要零件进行校核；最后将选取设计好的零件绘制成电加热水套炉的零件图和装配图。第2章 油气田水套炉
14、技术发展现状2.1 水套炉的基本结构形式水套炉的基本结构主要包括筒体、加热盘管、火筒、烟管、烟囱、燃烧器及其其他附件。火筒烟管一般布置在水套炉的中下部空间，火筒部分以辐射换热为主，烟管以对流换热为主，加热盘管一般不知在炉体的上部空间，盘管一般采用蛇形管，为了在有限的空间增加盘管换热表面积，盘管直径一般不大于DN100，燃烧器和烟囱一般布置在炉体前部。本研究中将传统水套炉的火筒取消，将火筒燃烧器部分改装为电加热装置，使其结构变得简单，通过集成电路控制各个部件易于实现自动化控制，无人值守。水套炉结构如图2.1所示图2.11、压力表 2、调风阻火器 3、燃烧器 4、支架 5、烟气出口管 6、烟火管7
15、、排污口 8、法兰 9、填料压盖 10、法兰盖 11、支撑板 12、水箱13、水位计 14、筒体 15、气盘管 16、温度计管嘴 17、烟囱 18、烟筒改为电加热器后水套炉的结构大大简化了，电加热器水套炉示意图如图2.2所示。 图2.21、电加热器 2、法兰盖 3、筒体 4、吊耳 5、放空口 6、安全阀 7、节水器 8、加热盘管 9、盘管支架 10、管板 11、盘根盒 12、天然气进出口 13、法兰盖二 14、排污口 15、鞍式支座 16、加热器支座2.2水套炉主要技术进展2.2.1三维内肋管强化传热技术的应用在水套炉的烟气受热面中，对流受热面积占到60% - 70%，如何提高对流段的换热系数，减少对流受热面的面积是水套炉优化面临的基本问题。近年来，有采用螺纹管作为小烟管，换热系数能够达到光管的1.5倍，三维内肋管是一种新式高效的传热元件，近年逐渐成为研究应用的热点，目前，三维内肋管的热力、阻力计算依赖于实验资料。研究表明，烟气与三维内肋管的换热系数可以达到光管的3.2倍，三维内肋管的范宁摩擦因子则是光管的4.6倍。因此，应用三维内肋管作为水套炉烟管，可以
