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某油田加热炉盘管的优化设计

文档作者：安慕华，马华伟文档来源：中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司		点击数：	更新时间： 2024年06月16日
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2013年第3期
(总第366期)
节能
E]MeRGY CONSERVATl0N
某油田加热炉盘管的优化设计
安慕华，马华伟
(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京100085)
摘要：加热盘管的设计是加热炉设计的重要部分。以某油田相变加热炉的设计为例，通过对传热系数
影响因素的分析、管内壁对被加热介质的换热系数计算分析及管外蒸汽壁面凝结换热系数计算分析，
提出其加热盘管的优化设计方法，推荐管内壁对三相混合物加热的换热系数计算方法及盘管的优化
布置方式。
关键词：加热炉；盘管设计；换热系数；盘管布置
中图分类号：TKl7文献标识码：B文章编号：1004—7948(2013)03—0069一03
d硝：1039694．issn．1004—7948．2013．03．019
弓1-'-
一定的情况下，传热系数七取决于a；和0c。。
加热盘管是火筒式加热炉的吸热部分，一般位
于加热炉壳体内上半部分，盘管内流动被加热介
质，加热炉火筒与烟管将热量传递给水，水再把热
量传递给盘管内的被加热介质。加热盘管的设计
是加热炉设计的重要部分，其设计的好坏关系到加
热炉能否满足用户的加热升温需求。
以哈萨克斯坦某油田的设计为例，对其选用优
化的相变加热炉进行优化分析。该炉的加热盘管
为蛇形管，加热介质为油气水，其中的主要组分为
水，壳程内介质为水。
1盘管的优化设计分析
加热盘管设计的关键在于传热系数k的计算：
七2r—●卜—了(1)
i+ri+i+r0+乏
式中：a；一管内壁对被加热介质的换热系数，
W／(m2·oc)；
a。一管外蒸汽壁面凝结的换热系数，W／
(m2·oC)；
卜盘管壁厚度，m；
A一管壁导热系数，W／(m·oc)；
rl一管内污垢热阻，(m2·℃)／w；
r0一管外污垢热阻，(m2·oC)／W。
由式(1)可知：在介质条件、管壁厚度和管材
2 q和％的优化
2．1管内壁对被加热介质的换热系数∞的优化
在该项目中，被加热介质并非单一介质，为油
气水混合物，按照单一介质的计算已不能满足实际
要求，这里推荐用以下方法进行多相混合物的计
算。
1)计算液相的对流换热系数。
根据试验或模拟软件计算出各种物性参数和
准则数(如雷诺数、普朗特数等)，并根据流态选取
适当的计算公式计算出液相折算对流换热系数
a．，具体计算公式参照SY／T0535—94(火筒式加热
炉热力与阻力计算方法》。
2)计算气相的对流换热系数。
单独求出纯气相状态下气体的对流换热系数
a。，具体计算过程公式参照SY／T0535—94(火筒
式加热炉热力与阻力计算方法》进行。
3)计算油气水三相混合物的对流换热系数。
目前为止，除了前苏联的全苏热工研究所发表
的文献中曾经有过对油气水三相混合物对流换热
系数a；简单的文字定性描述，迄今仍然没有具体
的试验数据和试验公式描述。因此，对油气水三相
混合物对流换热系数a；的计算仍然没有比较成熟
的计算方法或试验数据可供参考或借鉴。
为相对准确地对油气水三相混合物的对流换
热系数ai进行计算，采用液相折算对流换热系数
万方数据
节能
ENERGY CoNSERVATION
2013年第3期
(总第366期)
仪。和气相对流换热系数a。的比值并辅以反映油
气比的修正系数来求取折算的油气水三相混合物
对流换热系数a；。
具体思路：油气水三相混合加热时，由于气体
具有强烈的扰流作用，将会有效地破坏边界层厚
度，并在混合物中形成气泡，从而使油气水三相混
合加热时的对流换热系数比纯液相换热时的对流
换热系数大，但是比纯气相换热时的对流换热系数
小。鉴于该定性分析结论，考虑用液相折算对流换
热系数与气相对流换热系数的比值口及反映油气
比的修正系数来对液相折算对流换热系数进行修
正。即：
卢=“1／ag (2)
di=仅l(1+邮) (3)
式中：理；一油气水三相折算对流换热系数，
W／(m2·℃)；
Q．一液相折算对流换热系数，W／(m2·oc)；
口一液相折算对流换热系数与气相对流换
热系数的无因次比值；
口一油气比修正系数，一般选取1．1～2．0，
油气比大时取上限，油气比小时取下限。
通过以上方法可解决油气水三相混合物的换
热系数计算问题，经过项目现场实际运行的检验证
明，采用该方法是可行的。
2．2管外蒸汽壁面凝结换热系数的优化
对于该项目的相变加热炉，加热盘管全部处于
蒸汽浴，加热盘管外液膜水蒸气凝结主要呈层流状
态(尺P≤1800)时的对流换热系数计算如下：
．．2、一0．33 ％“·51A(Re惫) (4)
式中：％一管外蒸汽壁面凝结的换热系数，
W／(m2·oC)；
A一介质在平均温度下的导热系数，
w／(m·oC)；
(a)正方形顺序
RP一介质在平均温度下的雷诺数；
弘一介质在平均温度下的动力粘度，Pa·S；
jp一介质在平均温度下的密度，kg／m3；
g一重力加速度，取g=9．81m／s2。
水平布置管外水蒸气凝结液膜的雷诺数计算
如下：
RP=再4q嘶m (5)
式中：q。一水平布置管外水蒸汽凝结液膜的流量，
kg／s；
L。～盘管通道长度，m；
Ⅳe一管子的当量排数。
水平布置管外水蒸气凝结液膜的流量计算如
下：
鸟鸟m。3：_堕 (【6o，)
式中：Pk一按照传热方程计算的热功率，kW；
卜～水蒸气的汽化潜热，kJ／kg。
水平管束在垂直方向上的当量排数按式
(7)～式(10)计算。
正方形顺列布置时：
No=1．288醒‘430
式中：Ⅳ￡一管子排数。
(7)
正方形错列布置时：
No=1．370N?518 (8)
等边三角形顺列布置时：
N=． F9 ()o1 022N 9
等边三角形错列布置时：
Ne=2．080N 0，．485 (10)
现对以上4种布管方式进行优选比较，以盘管
外径为76mm、盘管间距为200mm、壳体内径为
1600mm、盘管布于壳体上半部分为例，4种盘管布
置方式依次如图1所示。
(b)正方形错列(c)等边三角形顺序(d)等边三角形错列
图1 4种盘管布置方式比较图
万方数据
2013年第3期节能
(总第366期) ENERGY CONSERVATION 一71一
以上4种盘管布置方式比较结果如表1所示。
由表1可以看出，相同面积中等边三角形错列
布置盘管根数最多，管子当量排数Ⅳe最大，结合式
(4)和式(5)可知，管外蒸汽壁面凝结的换热系数
理。最大。
表1 4种盘管布置方式比较表
因此，在上述4种盘管布置方式中，选用等边
三角形错列布置方式进行盘管设计，既可降低壳体
尺寸，又能提高换热系数。
外壁面换热系数，可通过以下方法优化盘管的设计
计算：采用液相折算并辅以反映油气比的修正系数，
计算油气水三相混合物管内壁对被加热介质的换热
系数，更为合理准确；相变加热的管外壁面换热系数
采用管外液膜水蒸汽凝结的传热公式计算；盘管选
用等边三角形错列布置方式，以强化传热。
参考文献
[1]杨世铭，等．传热学[M]．北京：高等教育出版社，1998．
[2]邓寿禄，等．油田加热炉[M]．北京：中国石化出版社，
2011．
[3]赵钦新，等．燃油燃气锅炉结构设计及图册[M]．西安：
西安交通大学出版社，2002．
[4]杨德伟，等．油田开发后期联合站的节能降耗[J]．油气
储运，1998，17(9)：45—48．
[5]陈鲁，等．提高水套加热炉热效率的方法与实践[J]．节
能，2004，(2)：47—48．
3结论
作者简介：安慕华(1980一)，女，山东莱阳人，硕士，工程
通过上述分析可以看出，影响盘管传热系数的师，从事油气田用热工设备的设计和开发工作。
主要因素为管内壁对被加热介质的换热系数和管收稿日期：2012—11—23；修回日期：2013—01—24
多部委酝酿分布式能源发展补贴政策鼓励自发自用
继2012年lo月发布《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》后，国家电网公司2013年2月
发布《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》。意见提出，给予符合条件的太阳能、天然气、生物质
能、风能、地热能、海洋能、资源综合利用发电等提供并网条件，积极促进分布式能源发展。值得注意的是，
意见指出，对于分布式光伏发电、风电项目不收取系统备用容量费，其他分布式电源项目执行国家有关政
策。
与此同时，国家电网编制了《关于促进分布式电源并网管理工作的意见》和《分布式电源接入配电网
相关技术规定》，对于分布式能源并网，国家电网做出了提供优惠并网条件、加强配套电网建设、优化并网
流程、简化并网手续、提高服务效率等承诺措施。
国家发改委、财政部以及国家能源局正在制定分布式能源发展补贴方面政策，主要原则为鼓励自发自
用，资金来源于可再生能源发展基金。不仅如此，国家能源局正在制定《分布式发电管理办法》以及《可再
生能源电力优先上网管理办法》等相关政策，有望完善后出台。
相关统计显示，截至2012年底，我国已并网投产的分布式电源1．56万个，装机容量3436万kW，其中
分布式水电2376万kW，世界第一；余热、余压、余气资源综合利用和生物质发电近年来增长迅速，装机
871万kW，居世界前列。除此之外，能源监管部门制定的“关于天然气分布式能源发展实施细则征求意见
稿”正在业界征求意见，其中在补贴方面拟通过装机容量等条件来核定补贴，此外也鼓励地方政府补贴天
然气分布式能源发展。
(吴佳仁供稿)

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