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某油田加熱爐盤管的優(yōu)化設計

文檔作者：安慕華，馬華偉文檔來源：中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月16日
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上一篇：某油田天然氣處理站余熱利用工程實例

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2013年第3期
(總第366期)
節(jié)能
E]MeRGY CONSERVATl0N
某油田加熱爐盤管的優(yōu)化設計
安慕華，馬華偉
(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京100085)
摘要：加熱盤管的設計是加熱爐設計的重要部分。以某油田相變加熱爐的設計為例，通過對傳熱系數(shù)
影響因素的分析、管內(nèi)壁對被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)計算分析及管外蒸汽壁面凝結(jié)換熱系數(shù)計算分析，
提出其加熱盤管的優(yōu)化設計方法，推薦管內(nèi)壁對三相混合物加熱的換熱系數(shù)計算方法及盤管的優(yōu)化
布置方式。
關(guān)鍵詞：加熱爐；盤管設計；換熱系數(shù)；盤管布置
中圖分類號：TKl7文獻標識碼：B文章編號：1004—7948(2013)03—0069一03
d硝：1039694．issn．1004—7948．2013．03．019
弓1-'-
一定的情況下，傳熱系數(shù)七取決于a；和0c。。
加熱盤管是火筒式加熱爐的吸熱部分，一般位
于加熱爐殼體內(nèi)上半部分，盤管內(nèi)流動被加熱介
質(zhì)，加熱爐火筒與煙管將熱量傳遞給水，水再把熱
量傳遞給盤管內(nèi)的被加熱介質(zhì)。加熱盤管的設計
是加熱爐設計的重要部分，其設計的好壞關(guān)系到加
熱爐能否滿足用戶的加熱升溫需求。
以哈薩克斯坦某油田的設計為例，對其選用優(yōu)
化的相變加熱爐進行優(yōu)化分析。該爐的加熱盤管
為蛇形管，加熱介質(zhì)為油氣水，其中的主要組分為
水，殼程內(nèi)介質(zhì)為水。
1盤管的優(yōu)化設計分析
加熱盤管設計的關(guān)鍵在于傳熱系數(shù)k的計算：
七2r—●卜—了(1)
i+ri+i+r0+乏
式中：a；一管內(nèi)壁對被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)，
W／(m2·oc)；
a。一管外蒸汽壁面凝結(jié)的換熱系數(shù)，W／
(m2·oC)；
卜盤管壁厚度，m；
A一管壁導熱系數(shù)，W／(m·oc)；
rl一管內(nèi)污垢熱阻，(m2·℃)／w；
r0一管外污垢熱阻，(m2·oC)／W。
由式(1)可知：在介質(zhì)條件、管壁厚度和管材
2 q和％的優(yōu)化
2．1管內(nèi)壁對被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)∞的優(yōu)化
在該項目中，被加熱介質(zhì)并非單一介質(zhì)，為油
氣水混合物，按照單一介質(zhì)的計算已不能滿足實際
要求，這里推薦用以下方法進行多相混合物的計
算。
1)計算液相的對流換熱系數(shù)。
根據(jù)試驗或模擬軟件計算出各種物性參數(shù)和
準則數(shù)(如雷諾數(shù)、普朗特數(shù)等)，并根據(jù)流態(tài)選取
適當?shù)挠嬎愎接嬎愠鲆合嗾鬯銓α鲹Q熱系數(shù)
a．，具體計算公式參照SY／T0535—94(火筒式加熱
爐熱力與阻力計算方法》。
2)計算氣相的對流換熱系數(shù)。
單獨求出純氣相狀態(tài)下氣體的對流換熱系數(shù)
a。，具體計算過程公式參照SY／T0535—94(火筒
式加熱爐熱力與阻力計算方法》進行。
3)計算油氣水三相混合物的對流換熱系數(shù)。
目前為止，除了前蘇聯(lián)的全蘇熱工研究所發(fā)表
的文獻中曾經(jīng)有過對油氣水三相混合物對流換熱
系數(shù)a；簡單的文字定性描述，迄今仍然沒有具體
的試驗數(shù)據(jù)和試驗公式描述。因此，對油氣水三相
混合物對流換熱系數(shù)a；的計算仍然沒有比較成熟
的計算方法或試驗數(shù)據(jù)可供參考或借鑒。
為相對準確地對油氣水三相混合物的對流換
熱系數(shù)ai進行計算，采用液相折算對流換熱系數(shù)
萬方數(shù)據(jù)
節(jié)能
ENERGY CoNSERVATION
2013年第3期
(總第366期)
儀。和氣相對流換熱系數(shù)a。的比值并輔以反映油
氣比的修正系數(shù)來求取折算的油氣水三相混合物
對流換熱系數(shù)a；。
具體思路：油氣水三相混合加熱時，由于氣體
具有強烈的擾流作用，將會有效地破壞邊界層厚
度，并在混合物中形成氣泡，從而使油氣水三相混
合加熱時的對流換熱系數(shù)比純液相換熱時的對流
換熱系數(shù)大，但是比純氣相換熱時的對流換熱系數(shù)
小。鑒于該定性分析結(jié)論，考慮用液相折算對流換
熱系數(shù)與氣相對流換熱系數(shù)的比值口及反映油氣
比的修正系數(shù)來對液相折算對流換熱系數(shù)進行修
正。即：
盧=“1／ag (2)
di=僅l(1+郵) (3)
式中：理；一油氣水三相折算對流換熱系數(shù)，
W／(m2·℃)；
Q．一液相折算對流換熱系數(shù)，W／(m2·oc)；
口一液相折算對流換熱系數(shù)與氣相對流換
熱系數(shù)的無因次比值；
口一油氣比修正系數(shù)，一般選取1．1～2．0，
油氣比大時取上限，油氣比小時取下限。
通過以上方法可解決油氣水三相混合物的換
熱系數(shù)計算問題，經(jīng)過項目現(xiàn)場實際運行的檢驗證
明，采用該方法是可行的。
2．2管外蒸汽壁面凝結(jié)換熱系數(shù)的優(yōu)化
對于該項目的相變加熱爐，加熱盤管全部處于
蒸汽浴，加熱盤管外液膜水蒸氣凝結(jié)主要呈層流狀
態(tài)(尺P≤1800)時的對流換熱系數(shù)計算如下：
．．2、一0．33 ％“·51A(Re憊) (4)
式中：％一管外蒸汽壁面凝結(jié)的換熱系數(shù)，
W／(m2·oC)；
A一介質(zhì)在平均溫度下的導熱系數(shù)，
w／(m·oC)；
(a)正方形順序
RP一介質(zhì)在平均溫度下的雷諾數(shù)；
弘一介質(zhì)在平均溫度下的動力粘度，Pa·S；
jp一介質(zhì)在平均溫度下的密度，kg／m3；
g一重力加速度，取g=9．81m／s2。
水平布置管外水蒸氣凝結(jié)液膜的雷諾數(shù)計算
如下：
RP=再4q嘶m (5)
式中：q。一水平布置管外水蒸汽凝結(jié)液膜的流量，
kg／s；
L?！P管通道長度，m；
Ⅳe一管子的當量排數(shù)。
水平布置管外水蒸氣凝結(jié)液膜的流量計算如
下：
鳥鳥m。3：_墮 (【6o，)
式中：Pk一按照傳熱方程計算的熱功率，kW；
卜～水蒸氣的汽化潛熱，kJ／kg。
水平管束在垂直方向上的當量排數(shù)按式
(7)～式(10)計算。
正方形順列布置時：
No=1．288醒‘430
式中：Ⅳ￡一管子排數(shù)。
(7)
正方形錯列布置時：
No=1．370N?518 (8)
等邊三角形順列布置時：
N=． F9 ()o1 022N 9
等邊三角形錯列布置時：
Ne=2．080N 0，．485 (10)
現(xiàn)對以上4種布管方式進行優(yōu)選比較，以盤管
外徑為76mm、盤管間距為200mm、殼體內(nèi)徑為
1600mm、盤管布于殼體上半部分為例，4種盤管布
置方式依次如圖1所示。
(b)正方形錯列(c)等邊三角形順序(d)等邊三角形錯列
圖1 4種盤管布置方式比較圖
萬方數(shù)據(jù)
2013年第3期節(jié)能
(總第366期) ENERGY CONSERVATION 一71一
以上4種盤管布置方式比較結(jié)果如表1所示。
由表1可以看出，相同面積中等邊三角形錯列
布置盤管根數(shù)最多，管子當量排數(shù)Ⅳe最大，結(jié)合式
(4)和式(5)可知，管外蒸汽壁面凝結(jié)的換熱系數(shù)
理。最大。
表1 4種盤管布置方式比較表
因此，在上述4種盤管布置方式中，選用等邊
三角形錯列布置方式進行盤管設計，既可降低殼體
尺寸，又能提高換熱系數(shù)。
外壁面換熱系數(shù)，可通過以下方法優(yōu)化盤管的設計
計算：采用液相折算并輔以反映油氣比的修正系數(shù)，
計算油氣水三相混合物管內(nèi)壁對被加熱介質(zhì)的換熱
系數(shù)，更為合理準確；相變加熱的管外壁面換熱系數(shù)
采用管外液膜水蒸汽凝結(jié)的傳熱公式計算；盤管選
用等邊三角形錯列布置方式，以強化傳熱。
參考文獻
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[2]鄧壽祿，等．油田加熱爐[M]．北京：中國石化出版社，
2011．
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西安交通大學出版社，2002．
[4]楊德偉，等．油田開發(fā)后期聯(lián)合站的節(jié)能降耗[J]．油氣
儲運，1998，17(9)：45—48．
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能，2004，(2)：47—48．
3結(jié)論
作者簡介：安慕華(1980一)，女，山東萊陽人，碩士，工程
通過上述分析可以看出，影響盤管傳熱系數(shù)的師，從事油氣田用熱工設備的設計和開發(fā)工作。
主要因素為管內(nèi)壁對被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)和管收稿日期：2012—11—23；修回日期：2013—01—24
多部委醞釀分布式能源發(fā)展補貼政策鼓勵自發(fā)自用
繼2012年lo月發(fā)布《關(guān)于做好分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)服務工作的意見》后，國家電網(wǎng)公司2013年2月
發(fā)布《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務工作的意見》。意見提出，給予符合條件的太陽能、天然氣、生物質(zhì)
能、風能、地熱能、海洋能、資源綜合利用發(fā)電等提供并網(wǎng)條件，積極促進分布式能源發(fā)展。值得注意的是，
意見指出，對于分布式光伏發(fā)電、風電項目不收取系統(tǒng)備用容量費，其他分布式電源項目執(zhí)行國家有關(guān)政
策。
與此同時，國家電網(wǎng)編制了《關(guān)于促進分布式電源并網(wǎng)管理工作的意見》和《分布式電源接入配電網(wǎng)
相關(guān)技術(shù)規(guī)定》，對于分布式能源并網(wǎng)，國家電網(wǎng)做出了提供優(yōu)惠并網(wǎng)條件、加強配套電網(wǎng)建設、優(yōu)化并網(wǎng)
流程、簡化并網(wǎng)手續(xù)、提高服務效率等承諾措施。
國家發(fā)改委、財政部以及國家能源局正在制定分布式能源發(fā)展補貼方面政策，主要原則為鼓勵自發(fā)自
用，資金來源于可再生能源發(fā)展基金。不僅如此，國家能源局正在制定《分布式發(fā)電管理辦法》以及《可再
生能源電力優(yōu)先上網(wǎng)管理辦法》等相關(guān)政策，有望完善后出臺。
相關(guān)統(tǒng)計顯示，截至2012年底，我國已并網(wǎng)投產(chǎn)的分布式電源1．56萬個，裝機容量3436萬kW，其中
分布式水電2376萬kW，世界第一；余熱、余壓、余氣資源綜合利用和生物質(zhì)發(fā)電近年來增長迅速，裝機
871萬kW，居世界前列。除此之外，能源監(jiān)管部門制定的“關(guān)于天然氣分布式能源發(fā)展實施細則征求意見
稿”正在業(yè)界征求意見，其中在補貼方面擬通過裝機容量等條件來核定補貼，此外也鼓勵地方政府補貼天
然氣分布式能源發(fā)展。
(吳佳仁供稿)

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