油田用加热炉.docx

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油田用加热炉

油田原油加热炉讲义

第一章概述

第一节油田加热炉

一、油田和长输管线加热炉的用途

油田和长输管线加热炉（以下简称油田加热炉）系指用火焰加热原油、天然气、水及其混合物等介质的专用设备。

应用于油、气田行业的加热炉称油田加热炉。

它是油气集输系统中应用最多的一种油田专用设备，其作用是将原油、天然气，油水混合物、油气水混合物加热至工艺所需要温度，满足油气集输工艺及加工工艺的要求。

从采油井口至原油外输整个集输系统，各个环节都要使用加热炉。

油田加热炉是一种直接受火焰加热的受压设备，其工作条件十分恶劣。

设计、制造、检验、安装及使用均必须遵循有关的规范、标准。

加热炉也是一种高耗能设备，正确地操作使用加热炉，对提高热效率、降低燃料消耗具有重要意义。

油、气田和长输管线用加热炉，其对介质进行加热所要求达到的温度都不高，一般只几十度，且介质无化学变化，这是与石油炼制、石油化工所用加热炉不同之处。

（一）油田油气集输工艺对加热炉的要求

1.满足工艺要求，将一定量的介质加热至一定温度。

2.安全可靠，使用寿命长。

3.制造、安装方便，投资少。

4.操作、维修方便。

5.热效率高、耗能低。

（二）油田加热炉的特点

同石油化工工业炉相比较，油田加热炉有以下特点：

1.单台炉子热负荷较小。

2.介质流量大，要求压力降小。

3.介质进出口温度低，温升小。

4.介质不发生相变。

5.热负荷波动大，低负荷运行多。

6.燃料为原油或天然气，自控程度低。

二、油田加热炉的技术装备现状

目前国内油、气田和长输管道中使用的加热炉有数万台，是油、气生产和输送中的主要耗能设备。

近十几年，通过优化加热炉的结构，应用先进的燃烧技术和传热技术等，国内已研制开发出结构合理、技术先进和性能优越的多种结构形式的油田加热炉，而且有些加热炉的炉型结构和性能指标已接近和达到了国际先进水平。

但总的来说目前国内油、气生产和输送中使用的加热炉，整体技术装备水平相对不高，与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现为：

1.国内油田加热炉的单台热负荷较小，热负荷为1250kW以下的小型加热炉约占加热炉总数的90%以上。

2.国内油田加热炉的平均运行热效率约为70％左右，加热炉热效率较低；而国外有关加热炉的运行热效率为85％以上。

3.国内油田加热炉的燃烧过剩空气系数较高，一般在1.3以上，有的甚至高达2.0以上；而国外有关加热炉的燃烧过剩空气系数可控制在1．1以下。

4.国内油田加热炉的钢耗量相对较高，火筒式间接加热炉的单位钢耗量一般达14t/MW左右；而国外有关加热炉的单位钢耗量为4t/MW～7t/MW左右。

5.国内大部分油田加热炉按标准配置了安全保护装置，但加热炉的运行操作，特别是负荷调节和燃烧控制调节主要仍为手工操作。

国外有关加热炉的安全保护和运行控制均实现了自动化，可实现加热炉运行无人值守。

第二节油田加热炉的炉型及基本结构

一、油田加热炉的炉型

油田和长输管线用加热炉型式按基本结构、被加热介质种类和燃料种类进行分类。

1.按基本结构分类

油田加热炉按基本结构可分为两大类，即火筒式加热炉和管式加热炉。

⑴火筒式加热炉分为：

①火筒式直接加热炉；

②火筒式间接加热炉。

⑵管式加热炉分为：

①立式圆筒管式加热炉；

②卧式圆筒管式加热炉；

③卧式异型管式加热炉。

2.按被加热介质的种类分类

油田加热炉按被加热介质的种类可分为：

⑴原油加热炉：

⑵井产物加热炉；

⑶生产用水加热炉；

⑷天然气加热炉。

3.按燃料种类分类

油田加热炉按燃料种类可分为：

⑴燃气加热炉；

⑵燃油加热炉；

⑶燃油燃气加热炉。

4.油田加热炉产品的型号

油田加热炉产品型号由三部分组成，各部分之间用短横线相连。

型号的第一部分表示加热炉的基本结构型式和额定热负荷，共分两段：

第一段用汉语拼音字母代表加热炉的基本结构型式，见表1—1;第二段用阿拉伯数字表示加热炉的额定热负荷为若干千瓦。

两段连续书写，相互衔接。

型号的第二部分分为两段，其间以斜线相隔。

第一段用汉语拼音字母代表被加热介质的种类，见表1—2;第二段用阿拉伯数字表示盘管或炉管设计压力为若干MPa；火筒式直接加热炉第二段不表示。

型号的第三部分由两段组成：

第一段用汉语拼音字母代表燃料种类，见表1—3；第二段用阿拉伯数字表示设计次序，第一次设计不表示。

两段连续书写，相互衔接。

表4-1加热炉的基本结构形式及代号

加热炉的基本结构形式

代号

加热炉的基本结构形式

代号

火筒式加热炉

火筒式直接加热炉

HZ

管式加热炉

立式管式加热炉

GL

火筒式间接加热炉

HJ

卧式管式加热炉

GW

表4-2被加热介质代号

被加热介质

代号

原油

Y

生产用水

S

天燃气

Q

井产物

H

表4-33燃料种类代号

燃料种类

代号

原油

Y

天然气

Q

油气两用

YQ

第二章加热炉工作参数

一、热传递的基本概念

（一）热传递

热能自动地由高温物体传向低温物体的现象叫热传递。

凡有温差存在就一定有热传递发生。

热传递有三种不同的形式：

即导热、对流和辐射。

1.导热

导热也叫热传导，是相互接触的物体之间发生的热传递或从物体的高温部分向低温部分传热的现象，如用熨斗熨衣服。

由于各种物质的导热能力不同，将导热较好的金属称为良导体，将导热较差的非金属称为不良导体。

物质导热能力的大小用导热系数表示，其单位为w/m·℃。

平壁的稳定导热计算用下式

式中：

λ—材料的导热系数w/m·℃

△t—壁面温度差℃

δ--平壁厚度m

F-平壁导热面积m2

Q-导热量W

2.对流

对流换热是运动着的流体与其相接触的固体壁面间的换热递过程。

对流换热时，物质的分子相互变动位置，如管式加热炉烟气流过对流炉管，水套加热炉盘管内原油与壳内热水都是对流换热。

对流换热量用下式计算

其单位为：

W

式中;α—对流放热系数，根据流态及流体物性计算，单位为w/m2·℃。

△t—换热温差℃

F—换热面积m2

3.辐射热

热能不依靠任何物体传递而以电磁波的形式直接发射出去，在空间进行传播，当遇另一物体时，则全部或部份地被吸收为热能，这种传热方式称辐射换热。

如太阳光射向地面就是一例。

辐射传热量与温度的四次幂成正比，同时与物体表面黑度及换热面积有关。

二、压力和温度

（一）压力

压力是指垂直作用在单位面积上的力，实际上是压强，用符号P表示，单位是“MPa”。

大气压力是指空气作用在地球表面上的质量力。

由于1m3空气在０℃时的质量为1.29kg，所以地球上部的大气层对地球表面有一定的压力，这个压力叫大气压力。

0℃时在北纬22.5°的海平面上（即海拔零米处）大气压力是0.1013MPa。

工程上常用工程大气压，它是每千克质量的物质作用在1cm2面积上的力，数值是0.981MPa（工程上常把二者简化为同一数值，约为0.1MPa）。

另外，随着使用的场合不同，度量压力的单位还有水银柱高度（mmHg）、水柱高度（mH2O）等，其换算关系如下：

0.0981Mpa=0.9678物理大气压=735.6mmHg=10mH2O=1kgf/cm2

表压力是指以大气压力作为测量起点，即压力表指示的压力。

表压力不是实际压力，因为当压力表指针为零时，实际上已受到周围一个大气压力的作用力，所以压力表指的数值，是指超过大气压力的部分。

绝对压力是指以压力为零作为测量起点的，即实际压力。

其数值就是表压力加0.1013MPa（大气压力）。

表压力与绝对压力的关系：

P绝=P表+0.1013（Mpa）

P表=P绝-0.1013（Mpa）

负压是指低于大气压力（俗称真空），用符号Ｐ真表示，

Ｐ真=大气压力-P绝。

负压与大气压力之比的百分数，称为真空度，即。

通常负压燃烧的锅炉正常燃烧时，打开炉门会感觉到周围空气吸向炉膛，这是炉膛内负压的缘故。

一般炉膛出口保持负压２～３mmH2O。

（二）温度

温度是指物体冷热的程度（通常用符号t表示）。

测量温度常用的单位是摄氏度，用℃表示。

在锅炉设计计算中，常用绝对温度单位，用Ｋ表示。

绝对温度的零度为零下273摄氏度℃）。

如果以Ｔ表示绝对温度的值，以ｔ表示摄氏温度的值，其转换公式为：

Ｔ=ｔ＋273Ｋ

温度通常用摄氏温度（用符号℃表示）和华氏温度（用符号°F表示）来表示。

目前我国常用的是摄氏温度。

⑴摄氏温度：

以水在一个大气压下开始沸腾时的温度（即沸点）为100℃，水开始结冰时的温度（即冰点）为０℃，中间分成100格，每格为１摄氏度。

⑵华氏温度：

以水的沸点为212°F，冰点为32°F，中间分成180格，每格为１华氏度。

两种温度的换算关系如下：

ｔ℃＝（5／9）（°F－32）

°F=1.8t℃＋32

三、热力学的有关概念

1.热量和温度

物体吸收或放出热的多少叫热量。

热量的单位是J或KJ。

温度是表示物体冷热程度的量。

测量温度的标准叫温标。

常用的温标有摄氏温标和绝对温标。

温度的单位是K或℃。

温度和热量是互相联系而又不相同的两个概念。

温度是对状态而言，而热量是指物体状态前后热能的增减程度，是对过程而言。

例如我们可以说加热炉进口处的温度是多少，油从进口到出口吸收了多少热量。

而不能说油在进口处有多少热量或油从加热炉中吸收了多少温度。

2.比热容

比热容是指单位质量的物体，温度升高或降低1摄氏度时所吸收或放出的热量。

不同的物质比热容不同。

其单位是KJ/kg·℃或KJ/m3．℃。

3.热平衡

把几个温度不同的物体放在一起，组成一个系统，则物体之间就要进行热量交换，使系统中各物体的温度变成一样，其中温度高的物体放出热量，温度低的物体吸收热量，如果没有热量损失，也没有从系统外吸收热量，那么，系统内温度较高物体放出热量的总和等于所有温度较低物体吸收热量的总和，这就叫热平衡。

例如加热炉内被加热介质吸收的热量加上各项热损失等于燃料放出的热量。

加热炉的热负荷就是根据热平衡计算的。

式中：

Q—热负荷KW

C—比热容KJ/kg·℃

m-介质的质量流量kg/h

△t-温差℃

四、管式炉的工作参数

管式加热炉的技术指标是表示其适应性能的指标，是选用、操作加热炉的依据。

主要包括以下几项。

1.热负荷

单位时间内向被加热介质传递热量的能力叫热负荷，单位为KW。

热负荷分设计热负荷和运行热负荷，设计热负荷为铭牌标注的热负荷，运行热负荷是根据运行参数计算所得。

运行热负荷应该小于设计热负荷。

2.工作压力

炉管允许的最大运行压力，此压力不得大于铭牌标注的设计压力。

单位为MPa。

3.传热面积

在炉内参予传热的炉管有效外表面积叫传热面积。

一般分为辐射传热面积和对流传热面积。

单位为m2。

4.炉膛容积热强度

炉膛单位容积在单位时间内的燃料发热量叫炉膛容和热强度，单位为KW/m3。

容积热强度一般为7000～9300KW/m2，其数学表达式为

式中：

qv—炉膛容积热强度kw/m2

B—燃料用量放kg/h或m3/h

QH—燃料发热值kJ/kg或kJ/m3

V—炉膛有效容积m3

5.辐射炉管表面热强度

单位面积的辐射炉管所传递的热量叫辐射炉管表面热强度，单位为KW/m2

式中:

qR—辐射炉管表面热强度kw/m2

QR-辐射室传热量KW

AR—辐射炉管传热面积m2

油田管式加热炉辐射炉管表面热强度一般为23～29kw/m2。

此处所说的指平均值，实际值是不均匀的，局部热强度可能大大高于平均值。

当热强度过高时，会使炉管局部过热甚至管内结焦，过低时则会使炉子结构笨重、增