摘要：作為一種特殊的爐型形式，天然氣加熱爐采用中間載熱介質(zhì)間接加熱的方式，是天然氣生產(chǎn)、輸送和應用中的主要耗能設(shè)備。為了節(jié)能降耗、提高加熱效率，必須結(jié)合工程實際的需要，優(yōu)化加熱爐的結(jié)構(gòu)，設(shè)計制造出高效節(jié)能的天然氣加熱爐。為此，分析了天然氣加熱爐傳熱的薄弱環(huán)節(jié)及其強化措施，針對天然氣加熱爐大筒體內(nèi)換熱面的常規(guī)布置形式存在的缺陷，提出了旋轉(zhuǎn)加熱和冷卻受熱面以及在受熱面之間加裝導流板兩種簡單而有效的天然氣加熱爐改良結(jié)構(gòu)，使中間載熱介質(zhì)形成整體有組織的順暢流動并強化傳熱，從而達到節(jié)能降耗和提高天然氣加熱爐效率的目的。以上兩項技術(shù)已獲得國家專利授權(quán)。
關(guān)鍵詞：天然氣加熱爐；流場組織；旋轉(zhuǎn)；大簡體；中間載熱介質(zhì)
天然氣加熱爐常用于井口、計量站、接轉(zhuǎn)站等，將天然氣加熱至工藝所要求的溫度，以便進行運輸、分離和粗加工等(圖1)。
天然氣在使用過程中也常需要加熱，如在燃氣發(fā)電機組中，其工藝對燃料氣的壓力、溫度和露點要求很高[1]，電廠使用的燃料氣必須經(jīng)過調(diào)壓和加熱處理。另外，在液化天然氣(LNG)輸配應用系統(tǒng)中，要使LNG氣化，也必然會用到大量加熱氣化爐。
1 天然氣加熱爐的工作原理
天然氣加熱爐采用整體組裝式結(jié)構(gòu)，在臥式大容積筒體內(nèi)布置火筒、煙管束等加熱受熱面和多回程對流管束等冷卻受熱面，筒內(nèi)充注中間載熱介質(zhì)作為加熱和冷卻受熱面之間的傳熱媒介，幫助冷、熱兩種流體達到傳熱的目的，中間載熱介質(zhì)可采用水、乙二醇溶液和導熱油。通常，加熱和冷卻受熱面沿大筒體圓截面中心軸呈軸對稱布置，火筒和煙管束位于水平軸的下方，對稱布置于垂直軸的左右側(cè)；多回程對流管束位于水平軸的上方，各回程也對稱布置于垂直軸的左右側(cè)，如圖2所示。
天然氣加熱爐工作時，用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量加熱需要加熱以達到工藝要求的工業(yè)用天然氣。燃料和空氣經(jīng)燃燒器混合后噴入大簡體下部一側(cè)的火筒燃燒產(chǎn)生高溫煙氣，煙氣經(jīng)火筒折入大筒體下部另一側(cè)的煙管束，最后經(jīng)煙囪向上排入大氣。在該過程中，高溫煙氣將熱量通過火筒壁和煙管束壁傳遞給中間載熱介質(zhì)，中間載熱介質(zhì)吸熱升溫；同時中間載熱介質(zhì)將大部分熱量通過對流管束壁面?zhèn)鬟f給需要加熱的工業(yè)用天然氣，中間載熱介質(zhì)放熱降溫。
天然氣加熱爐是采用中間載熱介質(zhì)間接加熱的一種特殊的爐型形式，工作運行可靠，但啟動慢，是天然氣工業(yè)中的重要耗能設(shè)備之一。提高天然氣加熱爐的熱效率，顯然是一個必須解決的問題。
2 天然氣加熱爐傳熱系統(tǒng)分析
對天然氣加熱爐來說，煙氣、中間載熱介質(zhì)、需加熱的天然氣這三者是通過火筒、煙管束和對流管束進行換熱的。火筒、煙管束和對流管束的材料均為鋼材，其導熱系數(shù)為定值，只有通過提高三者之間的傳熱系數(shù)，加熱爐的熱效率才能得到提高。研究人員對提高天然氣加熱爐熱效率投入了大量的精力，主要考慮了煙氣-中間載熱介質(zhì)、中間載熱介質(zhì)-被加熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)的換熱情況。
2.1 煙氣-中間載熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)
傳統(tǒng)天然氣加熱爐的煙氣-中間載熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)中，火筒和煙管熱負荷的比例約為6:4，火筒負荷率偏大，導致火筒結(jié)構(gòu)不合理，是造成天然氣加熱爐結(jié)構(gòu)龐大、金屬耗量高的一個重要原因。
火筒主要傳遞輻射熱，且換熱量份額大，因此燃燒器和火筒的設(shè)計是關(guān)鍵。燃氣燃燒充分，煙氣溫度高，可有效提高煙氣的輻射傳熱能力，所以應采用高效燃燒器，合理經(jīng)濟地設(shè)計火筒，以供燃氣充分燃燒。現(xiàn)在的天然氣加熱爐多采用機械通風微正壓燃燒方式，燃燒器為強制供風式燃燒器，并配備自動程序點火和熄火保護裝置。較之自然通風燃燒方式，加熱爐熱效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊。
煙管主要傳遞對流熱，盡管其換熱面積比火筒大，但換熱份額少，在很大程度上影響到天然氣加熱爐的熱效率、鋼耗量和外形尺寸，因此需采取辦法強化煙管的對流換熱效果。縮小管徑、提高煙氣流速能夠達到強化傳熱的目的，但煙氣在高速流動下產(chǎn)生的阻力很大，必須提高強制通風能力，使成本上升。近年來，中國石油大學開展了采用三維內(nèi)肋管作為加熱爐煙管的研究，結(jié)果表明，煙氣與三維內(nèi)肋管的對流換熱系數(shù)能達到光管的4.6倍[2]，可以有效地提高天然氣加熱爐的熱效率，降低金屬耗量，但需要合理地控制煙氣阻力。目前，三維內(nèi)肋管的熱力、阻力計算還依賴于實驗資料。
為增強煙氣和中間載熱介質(zhì)之間的換熱，開展了將熱管元件應用于加熱爐的試驗研究(通常是在煙管內(nèi)插裝熱管元件)。由于煙管中的煙氣溫度比火筒低，采用相對便宜的碳鋼一水低溫熱管就能滿足要求。實踐證明，熱管元件對加熱爐能起到良好的強化換熱作用。經(jīng)測試，熱管加熱爐的實際運行熱效率為87%～88%，過量空氣系數(shù)為1.04～1.17，排煙溫度為160℃[3]。但熱管的應用推廣受到冷、熱流道間的密封及熱補償?shù)葐栴}的制約。
2.2 中間載熱介質(zhì)-被加熱介質(zhì)傳熱系統(tǒng)
天然氣加熱爐的被加熱介質(zhì)是帶壓天然氣，傳統(tǒng)的氣盤管一般做成蛇形盤管形式，它的優(yōu)點是制作簡單，易于布置在天然氣加熱爐內(nèi)。為了提高傳熱效率，采取縮小管徑、提高被加熱介質(zhì)流速的方法達到強化傳熱的目的，在設(shè)計時將蛇形加熱盤管由大直徑管改為小直徑管組成的多回程管束，以取代傳統(tǒng)大直徑管盤。
為了強化中間載熱介質(zhì)與被加熱介質(zhì)的換熱，也可采用真空相變技術(shù)。在密閉加熱爐筒體內(nèi)，將火筒與煙管束置于相變介質(zhì)的液相空間內(nèi)，對流管束置于相變介質(zhì)的氣相空間內(nèi)。工作時，火筒與煙管束加熱相變介質(zhì)使其沸騰，載熱介質(zhì)與火筒和煙管束間產(chǎn)生沸騰換熱。同時，產(chǎn)生的蒸汽上升，在對流管束的冷卻下凝結(jié)，載熱介質(zhì)與對流管束間產(chǎn)生凝結(jié)換熱。隨后，液滴落下來重新匯入液相，如此反復循環(huán)。由于凝結(jié)換熱和沸騰換熱是高強度的對流換熱形式，因此，與自然對流換熱過程相比，相變換熱過程具有更高的換熱強度。實踐證明，對一臺1740kW加熱爐進行真空相變換熱技術(shù)改造后，運行效率將達到89.03%，節(jié)能效果顯著[4]。但是相變傳熱受到飽和壓力、對流管束排數(shù)尤其是不凝結(jié)氣體的影響很大，更重要的是，由于真空加熱爐主要是通過調(diào)節(jié)真空度來調(diào)節(jié)氣相空間的溫度，溫度可調(diào)范圍比常壓天然氣加熱爐窄，操作彈性小，限制了其使用。
還可采用高效傳熱元件來優(yōu)化對流管束結(jié)構(gòu)。例如采用可拆卸式螺旋槽u型管束，換熱系數(shù)一般可以提高50%左右[5]，但采用螺旋槽管使對流管束阻力約增大一倍，另外，由于螺旋槽管的造價較高，一般根據(jù)被加熱介質(zhì)的性質(zhì)與狀態(tài)，經(jīng)過綜合評價后決定是否采用。
天然氣加熱爐的研究隨著其應用的不斷增加而深入，取得了很大的進展，但仍側(cè)重于從增加氣相側(cè)的換熱技術(shù)方面著手[6]，忽視了對大簡體內(nèi)中間載熱介質(zhì)的流動與換熱研究。
3 大簡體中間載熱介質(zhì)流場的組織
在常壓天然氣加熱爐的整個傳熱過程中，中間載熱介質(zhì)與火筒、煙管束和對流管束的傳熱形式為自然對流換熱。貼近火筒和煙管束壁面的介質(zhì)溫度較高，形成上升流，對流管束附近的介質(zhì)溫度相對較低，形成下降流。通過測試簡體內(nèi)中間載熱介質(zhì)的溫度分布發(fā)現(xiàn)，天然氣加熱爐大簡體內(nèi)換熱面的常規(guī)布置形式存在如下缺陷[7](圖3)：①大簡體內(nèi)流場組織紊亂，這是因為上升流和下降流均是自發(fā)產(chǎn)生的，沒有恰當?shù)牧鞯澜M織，二股流之間易發(fā)生對沖，造成流動不暢及加熱不勻；②大筒體內(nèi)流場上下溫差較小，自然對流的動力小，加熱受熱面和冷卻受熱面之間的對流傳熱非常弱，傳熱效率低；③在整個流場中，還存在著不少流動死角，如大簡體底部等。
所有這些因素都不利于有效傳熱流場的形成，使加熱和冷卻受熱面的有效利用降低，造成筒體內(nèi)傳熱流場組織紊亂，從而使天然氣加熱爐效率低、能耗高。顯然，中間載熱介質(zhì)傳熱過程的形成，亦即大容積簡體內(nèi)流場的組織是提高天然氣加熱爐效率的關(guān)鍵點之一。
3.1 天然氣加熱爐大圓筒旋轉(zhuǎn)流場研究
針對天然氣加熱爐大筒體內(nèi)無法形成有效傳熱流場的缺點，首先提出一種旋轉(zhuǎn)型圓筒式天然氣加熱爐(國家實用新型專利：ZL200820057571.9)：將大筒體內(nèi)對稱布置的加熱受熱面(即火筒和煙管束，以及冷卻受熱面)旋轉(zhuǎn)適當?shù)慕嵌龋辜訜崾軣崦姹M可能置于較低的位置[8](如圖4所示)，這時大筒體內(nèi)溫度最高的火筒位于筒體的最下部，形成一股較強向上的熱壓，增大引起自然對流的動力，由于火筒、煙管束和對流管束內(nèi)的流體存在溫差，促使大簡體內(nèi)中間載熱介質(zhì)形成順時針循環(huán)順暢的熱流場，消除大筒體底部的“死角”，達到強化傳熱，提高效率的目的。研究表明：該旋轉(zhuǎn)角度以20°為最佳[9]，旋轉(zhuǎn)太小，達不到增大動力的目的；旋轉(zhuǎn)太大，會導致煙管束與輸入對流管束處于同一水平位置，反而破壞了順暢流場的形成。
3.2 天然氣加熱爐筒內(nèi)加裝導流板組織流場研究
為加強天然氣加熱爐大筒體內(nèi)有效傳熱流場的組織，提出一種大筒體內(nèi)加裝導流板組織熱流場的改良結(jié)構(gòu)(國家發(fā)明專利：ZL200810036446.4)：在筒體上部的冷卻受熱面和筒體下部的加熱受熱面之間，沿簡體軸向設(shè)置導流板，導流板的長度可按實際需要沿筒體軸向分割成幾塊，這樣便于加工安裝和提高使用效果，如圖5所示。
導流板的設(shè)置，合理分隔加熱爐加熱和冷卻受熱面之間的流動區(qū)域，中間載熱介質(zhì)在吸收筒體下方火筒和煙管束內(nèi)的熱量后，沿著導流板的方向形成均勻順暢有組織的向上流動，然后將熱量傳遞給上方的對流管束，加熱低溫天然氣。中間載熱介質(zhì)放熱后，沿導流板另一側(cè)向下流動，形成循環(huán)均勻的流場。在火筒和對流管束之間加裝弧形導流板，導流板擋住了火筒與輸入對流管束之間的通道，使火筒周圍的載熱介質(zhì)向煙管束上方流動，與煙管束周圍的載熱介質(zhì)一起向上依次流經(jīng)對流管束各流程放熱后，向下回流到火筒周圍，在大筒體內(nèi)形成了整體大循環(huán)流場(圖6)。弧形導流板與熱流場的流線更貼切，能使大筒體內(nèi)的流場更順暢均勻，傳熱效果更好。
實際應用中，亦可布置雙側(cè)導流板(圖7)，火筒和煙管束周圍的上升流在雙導流板的引導下，分別流經(jīng)各自上方的對流管束放熱后，向下回流到火筒和煙管束附近，從而在大筒體內(nèi)形成了更有效的雙循環(huán)流場。
對于黏性較大的中間載熱介質(zhì)，如乙二醇，尤其需要這種導流型的強化傳熱方式。通過加裝導流板，促使靠近壁面的熱邊界層變薄，引導中間載熱介質(zhì)在大筒體中形成整體有組織的順暢流動，消除熱流場死角，提高傳熱效率。就天然氣加熱爐的特殊傳熱結(jié)構(gòu)和載熱介質(zhì)特性而言，在大筒體內(nèi)加裝導流板是一種有效的強化傳熱手段，效率可提高3%[10]。
4 結(jié)論
1) 天然氣加熱爐在研究應用微正壓燃燒技術(shù)、螺旋管槽對流管束、三維內(nèi)肋煙管強化傳熱技術(shù)、熱管傳熱技術(shù)、相變傳熱技術(shù)等方面取得了較大進步。
2) 旋轉(zhuǎn)加熱和冷卻受熱面的布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化了加熱爐的整體傳熱效果，而無需額外投資。研究表明最佳旋轉(zhuǎn)角度為20°。這種旋轉(zhuǎn)型圓筒式天然氣加熱爐值得推廣應用。
3) 在受熱面之間設(shè)置導流板能優(yōu)化天然氣加熱爐的整體傳熱結(jié)構(gòu)，使大筒體內(nèi)形成有效順暢的流場，是一種簡單而有效的改良結(jié)構(gòu)，尤其對于乙二醇這種黏性大的中間載熱介質(zhì)，能夠促進對流換熱，提高傳熱效率，降低能耗。導流板的位置和形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)使用條件和工藝要求進行優(yōu)選。
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(本文作者：郭韻1，2 曹偉武2 嚴平2 錢尚源2 1.上海理工大學能源與動力工程學院；2.上海工程技術(shù)大學機械工程學院)
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