油田加热炉设计要素及技术发展

来源：九壹网

26　　　　　　　石　油　机　械2001年　第29卷　第2期

!设计计算#

油田加热炉设计要素及技术发展

景　深　刘明革

(大庆油田有限责任公司油田建设设计研究院)

　　摘要　根据实际工作经验,以管式加热炉为例,分析了炉膛体积发热强度、炉管表面热强

度、辐射室排烟温度、对流室排烟温度、炉管内流速、烟气流速、压力降和热效率等影响加热炉设计和选用的8个要素,讨论了表面热强度的确定与传热面积计算,以及加热炉设计性能的综合评判及加热炉优化设计的技术发展方向。值得注意的是,在优化设计加热炉时,除了考虑性能指标外,还要考虑环境保护指标、安全指标和经济性指标。　　主题词　油田设备　加热炉　设计要素　　加热炉是油田常用设备之一,因工艺计算和结构型式都比较复杂,从而给正确选用和合理设计带来了困难。笔者根据实际工作经验,以管式加热炉为例,对油田加热炉设计要素及技术发展作一些分析和探讨。由于管式加热炉是在普通加热炉基础上设计的比较特殊的一种炉型,只需对它分析研究,其结果对普通加热炉也具有适用性和指导作用。

并不一样,不同炉管以及同一根炉管上的不同位置的局部热强度都不相同,所以表面热强度指的是炉管的平均值。一台炉子的平均表面热强度究竟多少为宜,这与许多因素有关,如管内介质的特性、介质流速、炉型、炉管材质、炉管尺寸、炉管的排列方式等。辐射室与对流室的炉管表面热强度相差很大。

31辐射室排烟温度

辐射室排烟温度指烟气离开辐射室进入对流室的温度,它表征炉膛内烟气温度的高低,是操作中的重要控制指标。辐射室排烟温度高,说明辐射室传热强度大,若辐射室排烟温度过高,火焰太猛烈,容易烧坏炉管与管板等。从长周期安全运转考虑,一般把辐射室排烟温度控制在850℃以下,但烃蒸气转化炉、乙烯裂解炉等除外。

41对流室排烟温度

对流室排烟温度指烟气离开对流室进入烟囱的温度,它表征对流室内烟气温度的高低,直接影响烟气离开烟囱时带出热量的多少,是炉子设计和选用的一个重要参数。对流室排烟温度高,烟气带出的热量多,不利于热效率的提高,但对流室排烟温度过低也不好,容易产生低温露点腐蚀。在没有相应的防腐措施时,排烟温度必须保证低温段受热面的管壁温度

加热炉设计要素

11炉膛体积发热强度

燃料燃烧的总发热量除以炉膛体积,称为炉膛体积发热强度,简称体积热强度,它表示单位体积的炉膛在单位时间里燃料燃烧所发出的热量。炉膛大小对燃料燃烧的稳定性有影响,如果炉膛体积过小,燃烧空间不够,火焰容易舔到炉管和管架上,炉膛温度也高,不利于长周期安全运行,因此炉膛体积发热强度控制在41186万kJ/(m3・h)以下。

21炉管表面热强度

炉管单位表面积(一般按炉管外径计算表面积)在单位时间内所传递的热量称为炉管表面热强度,也称热通量或热流率、热流密度,它表示炉管传热强度(能力)的大小。实际上炉内各部位受热

景　深,高级工程师,生于1945年,1969年毕业于东北石油学院矿机专业,现从事机械设计及技术管理工作,任副总工程师。本刊编委会委员。地址:(163712)黑龙江省大庆市。电话:(0459)5902755。

(收稿日期:2000-05-11)

2001年　第29卷　第2期景　深等:油田加热炉设计要素及技术发展　　　　　　　27

(简称冷面温度)略高于烟气露点温度。

51炉管内流速

的管外侧大量使用了钉头或翅片。钉头管或翅片管

的对流表面热强度习惯上仍按炉管外径计算表面积,而不计钉头或翅片本身的面积。钉头管或翅片管按此计算出的热强度一般在光管的2倍以上。以光管外表面为基准,光管的表面热强度只有5.82～8.13kW/m2,而钉头管或翅片管则可达到17.45～23.26kW/m2。

表1　辐射炉管表面热强度和管内

质量流速的部分经验数据

加热炉常压原油加热炉

常压重油减压加热炉催化裂化进料加热炉

管内质量流速管内压力降

(kg/(m2・s))980～1500980～15001450～1950

(MPa)0169～11470129～01590129～0159

流体在炉管内的流速越低,则边界层越厚,传

热系数越小,管壁温度越高,介质在炉内的停留时间也越长,结果是介质容易结焦,炉管容易烧坏。流速过高又增加管内压力降和管路系统的动力消耗。故设计加热炉时,应在经济合理的范围内力求提高炉管内流速。

在气液混相的炉管内,流速受两方面的,流速的低限是必须保证流型符合要求,以避免局部过热,上限是临界速度。在炉管内实际流速不可能达到临界速度,如果流速大于临界速度,压降则急剧增加,涡流损失大。一般管内最大流速为临界速度的80%～90%。

61烟气流速

烟气在对流室和空气余热器中的流速选择应从传热和压降两方面考虑。流速高可使传热系数增大,减少传热面积,从而减少投资,但压降与流速的平方成正比,这意味着要加高烟囱或增加引风机电耗。因此,烟气在烟道和烟囱内的流速选择要从压降和一次性投资两方面来考虑。另外,烟囱出口处的烟气流速还有一个下限,这是为了避免大风时外界空气倒灌进烟囱。

71压力降

辐射炉管表面热强度

(kW/m2)29108～34125159～3114029108～341

　　3.传热面积的计算

对于辐射-对流型加热炉,计算前首先要假定辐射段热负荷,在一定的热效率过剩空气系数及一定的辐射段烟气出口温度下,辐射段的吸热量与对流段的吸热量呈一定的比例。近年来,随着热效率的提高,辐射段热负荷占全炉热负荷的百分率在逐渐减少,而对流段热负荷逐渐增加。表2是辐射段、对流段热负荷分配比例与加热炉热效率之间的关系[2]。

表2　加热炉辐射段、对流段热负荷

分配比例与加热炉热效率的关系

加热炉热效率

(%)5060708085

压力降是工艺设计的一个重要指标,包括介质

流动过程中的压力降和烟气流动过程中的压力降,前者影响管路系统的动力消耗,后者影响烟囱高度或引风机电耗。

81热效率

辐射段热负荷所占比例(%)

10090807065

对流段热负荷所占比例(%)

010203035

热效率表示向炉子提供的能量被有效利用的程度,是衡量燃料消耗、评价炉子设计和操作水平的重要指标,是设计者和用户最关注的重要参数。早期加热炉的热效率只有60%～70%,最近已达到85%～88%,最新的技术水平已接近92%。随着

　　根据辐射段热负荷及选定的辐射炉管表面热强度,可以确定辐射段所需传热面积。根据对流段热负荷及选定的对流炉管表面热强度,可以确定对流段所需传热面积,但有两种情况,选择单一类型的对流管(光管、钉头管或翅片管)比较简单;当混合使用对流管时,应首先分配各种管的热负荷,然后选定各自的表面热强度,确定各自所需面积。

当传热面积确定需核算热负荷时,应将上述过程反过来,即计算辐射段传热面积;选择辐射炉管表面热强度;计算辐射段热负荷;计算对流段各种炉管的传热面积;选择各种对流炉管的表面热强度;计算辐射段热负荷(各种炉管之和);根据计

(下转第37页)

节能工作的深入,今后热效率将不断提高。

表面热强度的确定及传热面积计算

11辐射炉管表面热强度

不同用途的加热炉其辐射炉管表面热强度也不同,表1给出了辐射炉管表面热强度和管内质量流速的部分经验数据[1]。　　21对流炉管表面热强度

近几年来,人们为了提高对流传热,对流炉管

2001年　第29卷　第2期许俊良等:定向井取心工具的研制及应用　　　　　　37

排量这一参数是合适的,它可保证斜井施工正常进行,同时又能保证岩心不被冲刷。通过对取心质量的分析,认为这种取心工具的设计是成功的,结构是先进的,所选参数是可行的。

正轴承,既能满足扶正岩心内筒的需要,又能保证钻井液的顺利通过。

(3)根据不同地层可以配备各种型号的取心钻头,最好配备带长扶正条的取心钻头,有利于提高取心钻头的使用寿命和稳定井眼的轨迹。

(4)根据井眼尺寸的大小合理选择取心钻进参数,在相同的条件下排量应选择上限,转数应选择下限。

(5)D—8100型取心工具可用于大斜度井或水平井,尤其是在岩性胶结较好的地层可以获得较高的取心效果。

(本文编辑　赵连禄)

结论与建议

(1)D—8100型取心工具在外筒上采用上下稳

定器,基本能保持井眼轨迹的稳定,在使用中没有

发生增斜或降斜的现象。

(2)这种取心工具内筒采用上下两点扶正,基本能避免内筒跟随外筒旋转,尤其是下面的滚柱扶(上接第27页)

算的实际负荷确定辐射段、对流段负荷比;根据工艺参数及负荷比计算辐射段传热量(辐射段热力计算);根据工艺参数及负荷比计算对流段传热量(对流段热力计算)。

环境保护指标、安全指标和经济性指标。

通过优化设计,可达到加热炉热效率最高、炉管压力降最小、烟囱高度最低、设备运行效果最好和投资最少的目的。设计技术发展方向通过上述分折,可找到加热炉设计技术进步的两个方向。

11设计性能的综合评判

结　束　语

分析了炉膛体积发热强度、炉管表面热强度、

辐射室排烟温度、对流室排烟温度、管内流速、烟气流速、压力降和热效率等影响加热炉设计和选用的8个要素,并着重讨论了表面热强度和传热面积的确定与计算,尽管这些都是加热炉设计中的基本问题,但有的问题不易弄清楚。最后叙述了加热炉设计性能的综合评判及优化设计的技术发展方向,其目的在于抛砖引玉,与各位同行一起探讨。

参　考　文　献

1　钱家麟,于遵宏,王兰田等.管式加热炉.北京:烃加

加热炉设计和选用的要素很多,本文给出了8

个因素,这些因素有些是彼此,有些是相互关联,要评价加热炉设计性能的好坏,必须综合考虑这些因素,也就是进行综合评判。加热炉设计性能的综合评判是很重要的,只有科学准确地评判加热炉的好坏,才能合理地选择加热炉。

综合评判的方法很多,常用的有多级评判法、模糊评判法、灰色理论方法等。

2.优化设计[3]加热炉的优化设计是在综合评判的基础上进行的,通过综合评判可以知道什么样的加热炉性能好,知道主要的性能指标及影响因素,从而便于优化目标函数和约束函数的确定,便于优化模型的建立。优化设计时,除了考虑性能指标外,还要考虑

工出版社,1987:3～6

2　马大谋.炼油设备基础知识.北京:石油化学工业出版

社,1976:212～224

3　陈立周,张英会,吴清一等.机械优化设计.上海:上

海科学技术出版社,1982:5～25

(本文编辑　郑　重)

携手共进　共创石油机械美好的明天

Andtheinfluencesofsuchstnicturalparametersasthegroovedepthandtheangleofthespiraiiniearealsono2table1Theopeningforeeandfiinistiffoessofthe“puxnpingin”mechanicalsealaregreaterthanthoseofthe

“punipingout”mechanicaiseaiunderthesanieconditions1

SubjectConceptTerms　　mechanicalseal　　spiralgroove　　sealingperfonnance

WangYouqiang(MechanicalEngineeringDept,QingdaoInsiiluteofArchitectureandEngineering,

QingdaoCity,ShondongProvince),ZhangSiwei1Thepredictionmodelofcoiledtubingfatigiieljfe1CPM,

2001,29(2):23～25

Thetheoryofpredictingthefatiguelifeofthecoile(1tubingisinmiatureatpresent1Onthebasisofthefa2tigueresearchpreviouslydone,amodelforpredictingthefatiguelifeofthecoiledtubingisestablisbed1Inthismodel,thecomplicate(istressincoiledtubingistransferredtoequivaientuniaxiaitensilestress,andthelowcy2clefatiguestrain-liferelationshipistransferredtothestress-liferelationship1AsemiwationalformulaforlifepredictionisobtainedtherebyThemodelisverifiedbyexperimentaldata1

SnhJectConceptTerms　　coiledtubing　　fatiguelife　　prediction　　model

JingShen(OilfieldConstrucrtonDesignandResearchInsntute,DaqingOilfieldCorporadonLtd,

DaqingCity,HeilongjiangPmvince),LiuMingge1Designfactorsofoilfieldheaters1CPM,2001,29(l):26

～27,37

Bytakingthepipebeaterasanexample,eightfactorsthatshouldconsideredinthedesignofoflfieldheatersareanalyzed1ThedeterminationofsiJrfacehotstrengthandcalculationofheattransferareaarediscussedinde2tail1Thecomprehensiveevaluationoftheheater’sdesignperformanceisalsodiscussed1Thedevelopingtrendoftheoptimizationofoilfieldheaterispofntedout1Inthedesignoftheheater,exceptfortheI)erfonnanceindex,theenvironnientaiprotectionindexandsafetyindexandeconomicindexshouldbeallconsitiered1

SuhJectConceptTemes　　oilfieldeqiJipment　　heaier　　designfacior

ShiTingrui(MaintenanceandinstallarionCompanyofNanjingYangtzePetri,chemicalCorporadon,

Nanjing),YanHuigeng1HydraulicexpandeilJointtechm‘queforheatexchangers1CPM,2001,29(2):28～31

Toreducethelealcageofthetubeplateexpandedjointareaoftheheatexchangerandelimniatetheclearancebetweentheheatexchangerandbal〗leplate,andtosolveradicallytheproblemsofabrasion,nofseandfatiguecrackofweldedseaniattubeends,ahydraulicexpandedjointtechiilqueisdeveloped1Theoperatingprincipleandcharacteristicsofthehydraulicexpandedjofnttechinquearedescribed1Tbeexpansionpressureiscalculatedandthemachiinngofthetubeplateholeisdiscussed1Todecreasetheexpansionpressure,awideriiiggroovecanbemadeinthetubeplatehole1Thereliabilityoftheheatexchangerisgreailyimprovedbyapplyingthehydraulicexpandedjofnttechifique1

SubJectConceptTerms　　hydraulicexpandedjofnttechinque　　heatexchanger　　characteristic

application

WangGuoqing(OilProductionTechnologyResearchinsdtuteofDaqingOilfieldCompany,DaqingCity,

HeilongjiangPmivnce),YangSongfeng,WuWing1Applicationoflargecapacltyscrewpuniptoodprodiic2

tionwithpofymerfloodi‘nginDaqingOilfield1CPM,2001,29(2):32～34

Pilottestsoflargecapacityscrewpumpforoflpro(luctionwithpolymerfloedingweremadeinDaqingOil2field1Thedesigiischemefortheoflpumpingsystemispresentedandmeasuresforimprovingthesystem’seffi2ciencyaregiven1Applicationoftheoilpumpingsystemon17wellsinDngingOilfieldshowsthat,thelaxgeca2pacityscrewpumpcanmeettherequirementsofoilproductionwithpolymerflooding,themeaiiproductiontime

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