油田用相变加热炉设计优化分析

加热炉是油田油气集输生产过程中的主要热工设备，截止2005年，中石油再用加热炉数量达到18460台，每年能耗总量折合原油约170万吨[1]。目前，油田生产中所应用的加热炉主要分为火筒炉、水套炉和相变加热炉，火筒炉和水套炉属于早期加热炉产品，属于落后淘汰产品。相变加热炉技术源于热管技术，经过十多年的推广应用，取得良好的效果。但现有相变加热炉普遍存在控制系统过于简单，热负荷适应性差，安全保护方式过于单一，没有精确温度控制等不足。加强相变加热炉的优化设计，对于节能减排、安全生产和提高能源利用效率具有重要意义。

1 结构优化

1.1 总体结构。总体结构布置是设计开发的基础，需要综合考虑现场使用条件、保证技术性能和易于安装运输及调试等。燃料燃烧及换热系统的开发类似工业锅炉，但部分细节存在较大差异，单纯借鉴工业锅炉的研制开发，在应用环节会出现问题。工业锅炉一般采用卧式三回程结构，燃烧系统与排烟分别布置在锅炉两端。相变加热炉后部布置原油进出口管线，排烟与原油进出口阀门等布置距离过于紧密，不符合防爆要求。将排烟移至与燃烧器同侧，卧式内燃结构即必须采用两回程或四回程结构，四回程结构适宜缩短炉体长度，增大炉体直径，考虑上部换热器传热需要，需尽量将炉体蒸汽出口与凝水回落接口布置越远越好，采用长度较长、直径较小较为理想，所以四回程结构并不符合相变加热炉设计要求，应选择两回程结构，采用大直径炉胆和螺纹烟管做为辐射对流受热面，并将炉胆与烟管设计成非对称形式，减小了炉体体积，使结构布置更为合理，减少钢材损耗。

1.2 燃烧器、辐射与对流换热面。由于油田的特殊性，使得加热炉的运行工况比较复杂，须在额定负荷35%-120%功率范围内稳定运行，因此燃烧器最大输出功率需要大于相变加热炉最大功率，在额定功率140%左右较为理想。在设计时不能依据实际输出功率或额定功率进行设计，火焰直径和长度需要根据最大输出点进行选择，查阅燃烧器输出功率与火焰物理尺寸关系图表，在确保正常运行不发生火焰吹扫炉胆的基础上进行热力计算，保证实际应用能够取得良好效果。

1.3 换热管。相变传热系统属于单纯的传热计算，根据理论计算，影响相变加热炉功率的三个因素为总传热系数，换热面积，蒸汽与被加热介质温差。对于同一台相变加热炉，额定功率是一定的，设计时，应尽量减小换热面积和换热温差，达到节省钢材，降低工作压力的目的。通过进一步计算得知，影响换热系数有5个因素：相变冷凝放热系数，管外污垢热阻，壁面热传导系数[2]，管内污垢热阻，管内对流换热系数。计算时，通过假定不凝气体含量确定相变冷凝放热系数，通过管内流速和介质物性确定管内对流换热系数，壁面热传导系数通过查阅金属导热系数获得，只有管外污垢热阻和管内污垢热阻需要通过查阅石油工业相关技术资料和油田油气集输手册，按照推荐数值取用该参数。经计算，前四个系数是管内对流系数的5倍，甚至更多，而它们的倒数和分之一是总的换热系数。

由Muler酸露点曲线图查得，当SO3浓度为0.858ppm时烟气的酸露点温度约为116℃。因此加热炉排烟温度不应小于120℃，同时在设计中追加对烟囱的保温和防腐，采用绝热材料降低烟气在烟囱中流通过程温度下降过多出现凝水，同时在烟囱内壁喷涂防腐耐酸涂料，防止出现酸性腐蚀，延长烟囱寿命。

2 控制优化

2.1 控制参数。控制系统主要监视对象包括炉体压力、进口温度、出口温度、炉内液位和操作间可燃气体浓度，共5个模拟量。控制系统首先需要明确控制对象的过程特性，实际运行过程可能发生的问题等，根据被控过程的特性进行有效控制。

2.2 控制系统。控制系统选用具有功能强并且经济性好的西门子S7-200系列PLC，采用4-20mA标准工业控制信号通讯，在现场控制柜设置24V电源对现场仪表供电，在现场电源发生故障的情况下，现场仪表电源自动切换到远程控制柜，利用远程控制柜提供的24V电源供电，确保现场仪表信号的实时采集监控。现场仪表采集换热管进出口温度，根据温度变化趋势与设定温度目标值进行对比判断，通过调用现场仪表的PID自整定模块，调节输出控制信号，实现对燃烧器的调节功能。

3 结论

分析了相变加热炉总体结构、燃烧器、辐射对流受热面、换热管、烟囱和控制参数及控制系统的选取，论证了设计参数选取的可行性，为相变加热炉的设计优化提供参考，至于其他问题没有涉及到的问题，还要设计与实践中进一步优化。

参考文献：

[1]马卫国，孙洪钰，冯定. 油田用加热炉技术现状与发展方向[J]. 石油机械，2006，第34卷，第10期：70-71.

[2] 《油田油气集输设计技术手册》编写组.油田油气集输设计技术手册[Z]. 石油工业出版社，第一版，1994.12.01.

[3] 贾明生，凌长明. 烟气酸露点温度的影响因素及其计算方法[J]. 工业锅炉，2003，第6期（总第82期）：31-35.

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