加热炉多流域传热模拟及热效分析

加热炉多流域传热模拟及热效分析

赵吉伟

河钢股份有限公司承德分公司棒材事业部一高线作业区河北省承德市067000

摘要：在我国快速发展的过程中，针对油田设计的新型自然通风式加热炉传热特性及热效率不明确的问题，采用模拟结合计算的方法进行了研究。用Ｆｌｕｅｎｔ模拟了三维炉体的实时传热情况；通过烟气温降值，分析了不同构件的换热能力；结合模拟结果采用正反平衡计算热效率，对不同入口温度、烟气入口流量、原油流量下的热效率进行分析计算。结果表明，新加热炉效率达９０％以上，比老式加热炉热效率提高了近７％，不同构件的换热效果不同，横烟管使烟气产生温降效果最为明显，可使温降达到３１３℃，是炉内的重要换热构件，同时，没有发现炉体顶端集热现象，在不同热效率影响因素中，加热炉处理原油量的多少对热效率影响最大，可使效率波动达１２％。研究结果对进一步完善加热炉的传热分析有参考价值。

关键词：传热学；加热炉；热效率；模拟；多流域

引言

油田用加热炉是油田油气储运的一种重要加热设备，尤其是在我国东部油田，油品粘稠，含蜡量高，气温较低，加热炉的使用尤为常见。随着油气田开发的深入，以及区块、产量在持续的增加，油田用加热炉的数量越来越多。加热炉是油田的主要能耗设备，耗能十分惊人。由于原油加热炉加热量受到加热原油量、原油进出口温度以及外界环境等因素的影响，只有调整相应的运行参数促使加热炉加热量与原油需求热量相当，有效效率才最高。影响加热炉运行效率的主要参数有燃烧效率、传热效果、炉壁散热、空气过剩系数、排烟温度等。其中加热炉的热效率是关键，而热损失主要集中在排烟热损失上。在负荷一定的条件下，排烟温度和排烟量直接决定着排烟热损失；在燃料一定的条件下，过剩空气系数直接决定排烟量，过剩空气系数和排烟温度是影响加热炉排烟热损失的主要因素。因此，在满足工艺要求的前提下，控制过剩空气系数和排烟温度范围，可以有效提高加热炉的热效率。如何针对具体工况，选择加热炉最优运行参数，对节约燃料减少排放具有十分重要的意义。

1加热炉的对象特性

在生产过程中有各式各样的加热炉，在炼油化工生产中管式加热炉是常见的加热炉。按形式可分为箱式、立式和圆筒式三种类型；按空气预热方式可分为无预热燃烧空气型、用外界热源预热燃烧空气型和用自身热源预热燃烧空气型三种类型。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行气化，其温度的高低会直接影响后一道工序的操作工况或产品质量，同时当加热炉温度过高时会使物料在加热炉管内分解，甚至造成结焦堵塞甚至烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命，因此加热炉出口温度必须精确控制，并且是加热炉控制的关键指标。加热炉的对象特性具有较大的时间常数和纯滞后时间，可以简化为一阶环节加纯滞后来近似，其时间常数和纯滞后时间与炉膛的容量大小及工艺介质停留时间有关，炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。特别是炉膛具有较大的热容量，滞后更为显著。

2传热及流场模拟

针对高温烟气入口温度为１１５０℃、烟气流量为１１８ｋｇ／ｈ、原油流量为４８６２ｋｇ／ｈ时的加热情况，采用瞬态模拟来模拟加热炉的加热过程，开始时刻，烟气从燃烧室出来后温度降低明显，水冷壁为主的辐射段起到了重要的换热作用，同时，横烟管前段换热效果良好，侧热管换热效果也轻微体现，上热管还处于低温状态。热平衡状态时，炉筒内已完全被高温烟气充斥，辐射段换热作用十分明显，横烟管后排换热效果一般，最后一排温度约为５２５℃。超导热管换热效果较为明显，炉体尤其顶端并未产生热应力集中的情况。烟气平均以０.６ｍ／ｓ流入加热炉，而在３０ｓ（初始）时，烟气大部分聚集在加热炉下部，这是由于开始时刻炉子尚未加热，火筒内几乎被冷空气充斥，烟气首先要和冷空气对流换热并将冷空气顶出，导致流速变慢。１２０ｓ时，流场已达到稳定，烟气在进入炉筒时速度很低，在加热炉内速度逐渐变大，这是由于一定的烟囱高度产生的负压在起作用，负压使烟气在炉内不断被加速，最终烟囱出口烟气的速度约为６ｍ／ｓ。对烟气在流动过程中的温降情况进行统计可以看出不同构件的换热能力，从而考察炉体内是否存在热应力集中情况而影响加热炉的加热效率。燃烧室出来的高温烟气温度为１１１６℃，四周环绕的１６根水冷壁使烟气温度降低了２５０℃，然后经过相互交错摆放的１１９根横烟管，由于烟气和横烟管的接触面积最大，因此温降最为明显，下降了３１３℃。烟气流至顶端，与超导热管换热后从下烟道流出，超导热管增加了与烟气的接触面积，阻止了顶端发生的热量集中现象。接着，烟气流入２０根下烟管，温度降低了１５０℃。最终烟气从烟囱流出时的温度为２１６℃。

2.2串级控制系统

采用简单控制系统往往很难满足工艺要求。加热炉需要将工艺介质从几十摄氏度升到数百摄氏度，其热负荷较大，当燃料油或燃料气的压力或热值有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化，并且当热量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大，作用不及时，因此炉出口温度波动较大，满足不了工艺要求。为了改善调节品质，满足生产的需要，炼油厂加热炉大多采用串级控制系统。由于干扰作用及加热炉型式不同，因此选用不同被控变量会组成不同的串级控制系统，主要有４种串级控制方案：炉出口温度对燃料油或燃料气流量的串级控制、炉出口温度对燃料油或燃料气阀后压力的串级控制、炉出口温度对炉膛温度的串级控制、采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制方案。如果干扰属于燃料在流动状态时产生的，例如阀前压力的变化，虽然燃料油的流量测量比较困难，但压力测量较为方便，所以炉出口温度对燃料油或燃料气阀后压力的串级控制系统应用很广泛。在实际应用中也经常遇到由于燃烧嘴部分阻塞，导致阀后压力升高，此时副控制器的动作使控制阀关小，因此导致加热炉熄火现象。为了防止因燃烧嘴阻塞或因副控制回路产生积分饱和使调节阀关小，导致加热炉熄火现象，应在ＤＣＳ上对控制阀的输出采取合理的限幅措施，防止该现象的发生。当主要干扰是燃料油或燃料气热值变化时，上述两种串级控制的副回路无法感受，此时采用炉出口温度对炉膛温度串级的控制方案更好些。选择的炉膛温度检测点必须具有代表性，能较快地反映炉膛温度的变化。

2.3控制进入加热炉内空气的量

调节过剩空气因数的参数值，燃料完全燃烧所需要的空气量要大于理论空气量值，因此会产生一定量的过剩空气。燃烧所用实际空气量与理论空气量之比为过剩空气因数，如果过剩空气因数过小，燃料不能够充分燃烧，反之高温烟气将带走大量的热量，降低油田加热炉的热效率。另外伴随着空气量的增加，氧气含量也不增加，会加剧加热炉内部的元件的氧化及腐蚀等。通过实验及计算证明，当燃料为燃料油时，过剩空气因数在1.15和1.25之间。当燃料为燃料气时，过剩空气因数在1.05和1.15之间。

结语

针对油田设计的新型自然通风式加热炉的传热特性及热效率不明确的问题，采用模拟结合计算的方法进行了研究，得出以下结论。１）新加热炉换热充分，横烟管使烟气产生的温降效果最为明显，根据温度场及流场得出，炉体内未发生热应力集中现象。２）正平衡与反平衡算法得到的效率值近似相等，均为９０.３％左右，相比于油田老式自然通风加热炉，效率提高了近７％。３）相比于烟气温度和流量对热效的影响，原油流量的高低对加热炉的热效率影响最大，可使效率波动达１２％。笔者从理论上验证了油田的小型自然通风式加热炉的高效性，但研究成果尚未经过现场实测验证。接下来的工作是结合现场加热炉的燃烧情况，调整运行参数，使加热炉达到最佳工况。

参考文献

[１]张依堂.稠油热力开采降粘方法探索[Ｊ].中国石油和化工标准与质量，２０１３（３）：２５２.

[２]张文洲.石化管式加热炉发展的新趋势[Ｊ].广东化工，２０１７，４４（１３）：２４０－２４１.