李 寧

(國家管網(wǎng)集團(tuán)天津天然氣管道有限責(zé)任公司，天津，300450)

1 引言

相比傳統(tǒng)能源，天然氣具有多種優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。天然氣場(chǎng)站是天然氣在輸送過程中進(jìn)行多種工藝處理的場(chǎng)所。由于場(chǎng)站上下游的天然氣壓力需求往往不同，因此在分輸時(shí)需要進(jìn)行降壓處理。氣體介質(zhì)經(jīng)節(jié)流降壓會(huì)產(chǎn)生焦耳-湯姆生效應(yīng)，使得氣體的輸送溫度急劇下降[1]。當(dāng)天然氣的輸送溫度接近場(chǎng)站的最低設(shè)計(jì)溫度時(shí)，發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)增加。

場(chǎng)站天然氣組分中常常含水，溫降可能導(dǎo)致天然氣中的水汽液化甚至形成固態(tài)，對(duì)設(shè)備造成損傷并影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行[2]。所以當(dāng)溫降達(dá)到一定值時(shí)需要在天然氣場(chǎng)站設(shè)置加熱裝置。本文總結(jié)了常用天然氣場(chǎng)站加熱裝置的結(jié)構(gòu)，分析了工作原理，對(duì)比了優(yōu)劣。

2 加熱爐的功用

天然氣場(chǎng)站一般采用加熱爐對(duì)天然氣進(jìn)行升溫處理，用于防止管道內(nèi)的水產(chǎn)生固態(tài)物質(zhì)，影響正常生產(chǎn)運(yùn)行。加熱爐利用外部能源作為工作的能量來源。加熱爐選用合理可使天然氣場(chǎng)站保持安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。天然氣場(chǎng)站的加熱爐根據(jù)工作原理分為水套爐、電加熱爐、紅外輻射加熱爐和換熱器等。

2.1 水套爐

水套爐的結(jié)構(gòu)多為臥式，由殼體、盤管和加熱系統(tǒng)組成，加熱系統(tǒng)由煙囪、煙管和火筒等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。水套爐是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過中間介質(zhì)傳導(dǎo)給被加熱介質(zhì)，使其溫度升高的設(shè)備[3]。天然氣場(chǎng)站水套爐以天然氣為燃料，天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^煙火管將熱量傳導(dǎo)給中間介質(zhì)(水和乙二醇的混合物)，中間介質(zhì)再對(duì)流經(jīng)盤管的天然氣進(jìn)行加熱。

圖1 水套爐結(jié)構(gòu)簡圖

水套爐在常壓下對(duì)介質(zhì)加熱，具有操作方便、安全性好和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但由于其自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)操作，設(shè)備本身的自耗氣量較高。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過控制水套爐出口溫度和改進(jìn)自身結(jié)構(gòu)可降低其自耗氣量。

水套爐在石油天然氣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，國內(nèi)油氣田在用的水套爐超過20000臺(tái)[4]。近年來，在波形火筒和螺紋管強(qiáng)化傳熱技術(shù)、熱管傳熱技術(shù)、煙管強(qiáng)化換熱及微正壓燃燒通風(fēng)技術(shù)等方面，天然氣水套爐的研發(fā)取得了較大進(jìn)展，熱效率達(dá)到83%—90%[5]。國內(nèi)企業(yè)通過對(duì)加熱系統(tǒng)優(yōu)化研究開發(fā)出的油氣田新型水套爐傳熱效率可達(dá)90%以上[6]。

傳統(tǒng)的水套爐換熱效率不高，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)難度大。近年來研究人員在傳統(tǒng)水套爐的基礎(chǔ)上研發(fā)出一種利用相變換熱的新型加熱爐。天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量使殼體中的液態(tài)水沸騰氣化，水蒸氣將熱量傳導(dǎo)給盤管，使流經(jīng)盤管的天然氣溫度升高。水蒸氣在熱傳遞的過程中冷凝，冷凝的液態(tài)水在殼體內(nèi)又被不斷加熱氣化。水在相變過程中發(fā)生的熱量交換使天然氣得到加熱升溫，利用該原理的加熱爐具有更高的加熱效率。

2.2 電加熱爐

電加熱爐內(nèi)部設(shè)有電加熱管，介質(zhì)進(jìn)入加熱爐后，在環(huán)形空間內(nèi)流動(dòng)得到加熱。天然氣電加熱爐主要有殼體、測(cè)溫盲管、換熱管和接線腔等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天然氣電加熱爐結(jié)構(gòu)簡圖

天然氣電加熱爐的發(fā)熱組件為熱電纜，安裝于換熱管中。天然氣電加熱爐的殼體為密閉高壓容器，天然氣流經(jīng)電加熱爐時(shí)被加熱升溫。在換熱管內(nèi)填充導(dǎo)熱油，熱電纜浸泡在導(dǎo)熱油中。熱電纜通電時(shí)，產(chǎn)生的熱量使導(dǎo)熱油溫度升高，導(dǎo)熱油不斷將熱量傳導(dǎo)給換熱管，換熱管使流經(jīng)殼體中的天然氣加熱升溫。

電加熱爐多用于加熱負(fù)荷不大的天然氣場(chǎng)站。電加熱爐具有設(shè)備占地面積小、加熱效率高和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于存在導(dǎo)熱介質(zhì)，需增加輔助系統(tǒng)或者定期更換導(dǎo)熱介質(zhì)，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的成本較高。電加熱爐適合加熱負(fù)荷較小的天然氣場(chǎng)站。當(dāng)加熱負(fù)荷超過一定數(shù)值時(shí)，隨著加熱負(fù)荷增加，加熱效果將變得不穩(wěn)定，加熱負(fù)荷過大會(huì)增加天然氣場(chǎng)站配電系統(tǒng)的投資和日常管理成本。

2.3 天然氣催化紅外輻射加熱爐

催化紅外輻射加熱爐的工作原理如圖3。催化棉層內(nèi)部安裝電加熱絲，電加熱管通電時(shí)，催化棉層溫度升高，當(dāng)溫度超過一定數(shù)值時(shí)，天然氣開始進(jìn)入催化棉層，與空氣以一定比例混合發(fā)生無焰燃燒反應(yīng)。天然氣無焰燃燒反應(yīng)不產(chǎn)生可見光，沒有額外的熱量損失，設(shè)備自耗氣量較低。

圖3 天然氣催化紅外輻射加熱爐原理簡圖

天然氣催化燃燒分為擴(kuò)散催化燃燒、預(yù)混貧燃催化燃燒和預(yù)混輻射催化燃燒[7]。天然氣加熱爐的燃燒類型一般為擴(kuò)散催化燃燒和預(yù)混輻射催化燃燒。燃燒產(chǎn)生的能量大部分轉(zhuǎn)化為波長3—8微米，具有較高能量的紅外射線對(duì)介質(zhì)進(jìn)行加熱。

天然氣催化紅外輻射加熱爐為輻射加熱，紅外線通過輻射對(duì)介質(zhì)加熱，由于輻射能的特點(diǎn)，空氣不吸收熱量，只有天然氣管道外壁溫度升高，能量損失小，裝設(shè)備中的天然氣管道用特殊涂料涂敷，能最大程度吸收熱量。天然氣催化紅外輻射加熱爐發(fā)生的反應(yīng)為無焰反應(yīng)，氧化反應(yīng)溫度比燃燒反應(yīng)的發(fā)生溫度低，安全性好。天然氣催化燃燒紅外輻射加熱技術(shù)通過氣體燃料在催化劑表面發(fā)生均勻燃燒，具有更高的能量轉(zhuǎn)化率和能源利用效率[8]。

法國公司首先實(shí)現(xiàn)了催化燃燒加熱技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。近年來，催化燃燒加熱技術(shù)在石油天然氣領(lǐng)域發(fā)展迅速。催化式紅外加熱裝置是一種投資小、效率高、運(yùn)行成本低和污染小的新型加熱方式，已越來越多在石油天然氣領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.4 管殼式換熱器

有的天然氣場(chǎng)站設(shè)有鍋爐房，鍋爐產(chǎn)生的熱量除作為站內(nèi)生活的熱源，還可為場(chǎng)站天然氣分輸調(diào)壓時(shí)加熱。在生產(chǎn)中，一般用鍋爐和換熱器為天然氣加熱。換熱器也稱為熱交換器，用于冷熱流體間的熱量傳遞。流體在換熱器中的相對(duì)流向有順流和逆流兩種，換熱器采用逆流傳熱[9]。

換熱器根據(jù)傳熱方式不同分為混合式、蓄熱式和間壁式三種，間壁式換熱器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為板式換熱器和管式換熱器[10]。管式換熱器分為套管式和管殼式。管殼式換熱器的傳熱面為管束壁面，主要由殼體、管板、管束和管箱構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。管殼式換熱器分為螺旋槽管換熱器、橫紋管換熱器、螺旋扁管換熱器和螺旋扭曲管換熱器等[11]。

圖4 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)簡圖

發(fā)生熱量交換的冷熱介質(zhì)中，流經(jīng)管束的稱為管程流體，在殼體內(nèi)流動(dòng)的稱為殼程流體。一般在殼體內(nèi)部安裝擋板用來提高殼程流體的傳熱效率。擋板能使殼程流體的流速增加，引導(dǎo)流體以固定的路徑橫向流過管束，使流體保持湍流流態(tài)。換熱管一般在管板上規(guī)律分布，換熱管分布越緊密，殼程流體越容易保持湍流流態(tài)，換熱效率越高。介質(zhì)經(jīng)過管束稱為管程，經(jīng)過殼體稱為殼程。一般在殼體兩端的管箱中安裝擋板，將管束均勻分開，以增加管程流體的流速。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作可靠、傳熱系數(shù)高、不易泄漏、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

3 不同天然氣加熱爐的對(duì)比

天然氣加熱爐的特點(diǎn)不同，應(yīng)用條件也不同。目前最常用的三種天然氣加熱爐的特點(diǎn)對(duì)比如表1。

由表1可知，水套爐、電加熱爐和催化式紅外加熱爐的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不同。水套爐應(yīng)用范圍較大，但設(shè)備本身采購維護(hù)成本較高；電加熱爐設(shè)備成本較低，但應(yīng)用范圍較小；催化式紅外加熱爐具有更高的換熱效率，是一種較理想的天然氣加熱裝置。在實(shí)際生產(chǎn)中，不同環(huán)境條件和生產(chǎn)條件適用的設(shè)備類型不同，天然氣加熱爐的設(shè)備選型要充分考慮外部條件對(duì)設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)的具體要求。

表1 三種天然氣加熱爐的特點(diǎn)對(duì)比

4 天然氣加熱過程的熱力學(xué)計(jì)算

天然氣場(chǎng)站加熱爐在選型時(shí)需要考慮設(shè)備加熱過程前后介質(zhì)的熱力學(xué)變化，在此以天然氣場(chǎng)站最常用的水套爐為例，建立模型，嘗試對(duì)其工作時(shí)的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，為設(shè)備選型提供參考。

模型水套爐設(shè)計(jì)功率160kW、效率為87%、介質(zhì)壓力為0.4MPa、介質(zhì)進(jìn)口溫度為20℃、介質(zhì)出口溫度為50℃、載熱介質(zhì)(水)的溫度90℃、排煙溫度200℃、火管出口溫度690℃、火管放熱面積為3.14m2、煙管放熱面積為2.01m2、盤管受熱面積為29.6m2、盤管介質(zhì)流速為14m/s。

根據(jù)羅波-伊萬斯輻射模型經(jīng)驗(yàn)公式，火管輻射換熱量可由式(1)計(jì)算[12]：

(1)

式(1)中，Qr為火管輻射傳熱量，kJ/kg；C為火管輻射系數(shù)，kW/(m2·K4)，一般取4.4×10-3-4.6×10-3；Aft為火管受熱面面積，m2；Bc為燃料消耗量，kg/s;T1為火管出口煙氣溫度，K;Tb為火管壁面溫度，K。

根據(jù)Gnielinski公式，可對(duì)煙管內(nèi)煙氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[13]：

(2)

式(2)中，ac為煙氣對(duì)管壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ為煙氣在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Dist為煙管內(nèi)徑，m；Lst為煙管長度，m；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

輻射換熱系數(shù)可根據(jù)式(3)計(jì)算[14]：

(3)

式(3)中，af為煙氣對(duì)管壁的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)；asm為煙氣黑度；Tst為煙氣平均溫度，K；Tw為煙管灰污壁面溫度，K。

假設(shè)被加熱介質(zhì)流態(tài)為紊流，盤管內(nèi)煙氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)為：

(4)

由式(1)—式(4)，計(jì)算得模型水套爐的熱力學(xué)參數(shù)為：煙管傳熱系數(shù)為51.4W/(m2·K)，盤管傳熱系數(shù)為107.4W/(m2·K)，火管傳熱量為112kW，煙管傳熱量為45kW。

5 結(jié)論

天然氣場(chǎng)站加熱爐的設(shè)備性能和工作狀態(tài)直接影響正常生產(chǎn)，天然氣加熱爐種類較多，在設(shè)備選型時(shí)要充分考慮氣質(zhì)組分、壓力需求、環(huán)境條件和預(yù)算投資等，同時(shí)需考慮在加熱過程中氣體介質(zhì)的熱力學(xué)變化，不斷調(diào)試出最佳的設(shè)備工作參數(shù)。通過對(duì)幾種常見天然氣場(chǎng)站加熱爐的分析對(duì)比可以預(yù)測(cè)，一方面，未來天然氣場(chǎng)站必將向更加智能化、安全化方向發(fā)展，功能更多、操作更便捷和安全性更好的新型天然氣加熱爐將取代功能單一、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜的傳統(tǒng)加熱爐；另一方面，未來加熱爐將向著生產(chǎn)成本更低、應(yīng)用環(huán)境更廣的方向發(fā)展，未來設(shè)備的可選范圍將更大。