2023年油田加热炉热力与管路设计.doc

引言 油田加热炉热力与管路设计 前言 炉管是管式加热炉形成传热外表的最重要组成局部。整个加热炉的炉管系统还包括炉管之间连接用的回弯头和支持炉管的管架。由于炉管的结焦、失效及炉管的过热而导致的炉管破裂等故障不仅危机加热炉的正常安全运行，而且也将增加大量的维修费用。 引起加热炉炉管损坏的原因较多，除选材不当、受腐蚀和冲蚀作用外，大局部是由于局部过热引起的。产生过热的原因很多，如炉型和燃烧器选择不合理、辐射热强度过高、操作不当等。故在没计时应首先对炉管进行热力计算，对总换热系数进行校核，校核符合条件方能进行下面的设计。 1978年，由上海炼油厂主编的石油化工管式加热炉中，在调查总结国内炼油厂和局部油田管式加热炉的设计、施工和操作经验的根底上，参考国内外资料编写而成的。内容主要介绍管式加热炉的工艺过程，操作原那么和本卷须知，结构和零部件的根本知识；管式加热炉的产生和开展史，提高热效率的几种途径和加热炉革新、挖潜、改造方面的动向。尤其书中推荐了常用的和比拟成熟的计算方法，编入了一些计算图表和操作数据，对我完成毕业设计提供了珍贵的素材。 炉管结构设计的先前工作是对其进行热力计算，1990年，由中国石化总公司石油化工规划院主编的管式加热炉设计手册中对加热炉工艺计算根底数据和热力计算进行了详细的阐述，包括有效平均温度确实定、总换热系数的选取、对换热系数的校核以及对炉管的材料的选取、焊接、腐蚀等关键性问题进行了周密的论述。 在对炉管介质阻力的计算的过程中遇到了一定的困难，水的摩擦系数不能精确选取，弯头的当量长度以及计算公式形式较多等问题。通过和导师冯定教授的交流之后，又重新调整了思路。李更来、钟甲学在文章对管式加热炉阻力计算公式对炉管介质阻力的计算有精辟的论述，可据此进行计算。 伴随着计算机时代的来临，计算机数字分析功能将日益强大，我们也可以对传统的设计模式进行一些简化。本文将用到有限元分析软件ANSYS9.0对炉管的热应力分布场、温度场分布进行计算和分析。参阅ANSYS9.0热分析教程。 1　选题背景 1.1　课题来源 油田油气储运过程中，一般都有提供热源的火力加热设备里面安装由无缝钢管组成的一系列连串的管排。这种加热设备称为管式加热炉。管式加热炉一般由对流室、辐射室和烟囱三大局部组成。在对流室和辐射室内敷设炉管，在烟囱内设有烟道挡板。在辐射室的底部、侧壁或上部安装燃烧器。一个比拟先进的加热炉还备有烟气的热回收系统和空气、燃料比控制系统等。燃料(燃料油或燃料气)在炉内燃烧，油品或其它介质在炉管中以很高的速度流动。 管式加热炉的作用就是为转化能量创造条件，将燃料燃烧放出的热量，首先传递到炉管的外外表，然后通过炉管的金属管壁传递给油品或其他介质。这样，油品或其他介质就被加热到所需要的温度，以防止在储运过程中油品到达凝固点冷凝。 根据中石油股份公司加热炉调查统计报告显示，中石油股份公司拥有加热15021台，管式加热炉在各种炉型中数量占据最多。由于炉管内的介质不是水或水蒸气，而是原油或油水混合物，所以一旦炉管壁超温发生事故就会影响正常生产，严重时还会造成经济损失，危害人身安全。因此加热炉内的最高管壁金属温度不允许超过炉管材质的极限温度。同时炉管内壁温度也是判断管内介质是否可能变质、结焦、结垢的依据之一，结焦会使管壁温度急剧上升，加剧炉管的腐蚀和高温氧化，引起炉管鼓包、破裂，使炉子操作性能恶化，甚至造成装置提前停运，所以炉管的热力分析具有十分重要的意义。 由于炉管置于高温中，管内有油品或其他介质的温度、压力和腐蚀的联合作用，因此对炉管的要求很高。一般必须考虑到炉管材料的耐热性、高温强度以及耐腐蚀性能；耐热性是指材料耐高温氧化和耐高温脆化的性能。炉管的耐腐蚀性能，主要根据实际生产装置的使用经验来决定。生产实际说明：原油性质以及脱盐深度对碳钢和1.25Cr0.5Mo钢的腐蚀速率影响很大，含盐量大的低硫原油腐蚀性也极强。另外，燃烧高含硫、含钒的燃料油，也会发生严重的高温烟灰腐蚀和低温露点腐蚀。为此加热 第 45 页 〔共 46 页〕 油田加热炉的传热强化与管路分类 炉炉管的材质应根据介质的特性和操作条件适中选用，本着勤俭节约的精神，结合我国的具体情况，合理地选用炉管，并配合防腐措施，并根据管壁温度和内压计算壁厚。 据美国石油协会推荐的常规设计方法AP1530中，炉管设计寿命通常为10万小时，不过，炉管有效寿命取决于实际操作工况和具体材料的性能，通常为3万～15万小时。但实际使用寿命为设计寿命2/5～2/3者占绝大多数。 本课题主要针对油田管式加热炉的主要结构炉管进行热力计算与管路设计，从而学习油田现场使用的加热炉热力与管路的设计方法、种类、特点、方式等，得出减少能耗、降低事故的优良管式加热炉制造技术。 1.2 研究目的及其意义 加热炉是油田常用设备之一，目前在各油田及管道上采用的加热炉主要来加热原油、水等介质，以满足输送、脱水、拌热、清蜡等集输工艺要求。它与其他工业加热炉相比，具有结构简单、预制化程度高、操作方便、便于管理、易于实现自动化等特点。 油田加热炉又是有别与一般设备的“特殊设备〞，它是一种能承受压力的、具有爆破危险、还可能引发火灾的特殊设备，关于加热炉事故如炉管结垢、炉管腐蚀、火管烧损而造成炉管爆裂的报道也是屡见不鲜。所以其设计、制造、安装、使用、检验、修理及改造都必须遵守有关的安全技术规程，并接受国家的安全技术监察。 同时油田加热炉又是油田主要的耗能设备，据业内人事统计大约占到油田耗能的40%左右。在崇尚节约型社会的今天，有效的提高加热炉的热效率、提升加热炉生产运行中的安全性变得格外重要。 加热炉炉管〔包括水管或火管〕是加热炉的主要传热元件，与操作介质〔烟气、水、蒸汽〕直接接触。同时，它又是加热炉最容易损坏的元件之一。保护好加热炉炉管，延长其使用寿命，对保证加热炉安全、经济运行有十分重要的意义。本文旨在通过汲取先进成熟的加热炉制造经验，通过对加热炉的热力和管路设计得出减少能耗、降低事故的优良加热炉制造技术。 1.3 油田加热炉热力与管路国内外开展 国内石油管式炉已有几十年的开展史，自力更生，靠国内的技术开发，取得了很大的成就。改革开放后，与国外进行了技术交流和联合设计，使国内石油化工管式炉的总体技术水平得到了迅速的开展。可以说，现在国内设计和建造的管式炉已根本上接近和到达了世界先进水平，但在加工制造和一些特殊管式炉的前沿技术方面，与国外相比，还有一定的差距。 表示管式炉技术水平的一个重要指标是通过炉管外表传递热量的强度，即炉管外表热强度。提高炉管外表热强度就可以用较小的排管面积，完成较大的热负荷。但是，炉管外表热强度的提高要受到许多因素的限制。在加热型管式炉中，首先要受油膜温度的限制。炉管外表热强度愈高，油膜温度也愈高，当油膜温度到达或超过油品裂解温度时，油品就会产生裂解，这将影响最终产品的品质，或增加后加工艺装置的负担，严重时还会造成炉管结焦，缩短操作周期；在加热-反响型管式炉中，炉管外表热强度的提高那么要受到管内空速和催化剂床层温度的限制。只有采用性能良好的催化剂，允许采用较高的空速，以承受更高的床层温度，才能采用较高的炉管外表热强度。 限制炉管外表热强度的另一个重要因素是炉管金属的最高允许使用温度。热强度愈高，管壁金属温度也愈高。当管壁金属温度到达最高允许使用温度时，炉管外表热强度不能再提高。否那么，就必须换用更高级的炉管材料，这将意味着投资的增加。 　　在管式炉中，炉管外表热强度并不是均匀的。沿炉膛高度、宽度和长度三维方向上的温度场是不均匀的，沿炉管圆周和管长方向上传热也是不均匀的。设计上常常采用炉管外表平均热强度的概念，以简化计算过程。实际上其限制因素是以炉管外表热强度最高点来计算的。因此，使炉膛温度场分布均匀，使热传递沿炉管圆周和管长分布均匀，减小各种不均匀系数，就可以在最高热强度不超限的前提下，大大提高平均热强度，从而减少排管面积，缩小大型化后管式炉的尺寸。 加热型管式炉的平均热强度，国内设计和国外比拟接近。个别设计平均热强度较低者多数是因用户要求留有余地，以便将来可提高装置能力所致。加热-反响型管式炉，国内设计的平均热强度比国外同类管式炉要低得较多。例如制氢转化炉，国内的平均热强度一般仅45～50千瓦/平方米，而国外的一般是70～80千瓦/平方米，高的可达88千瓦/平方米。转化炉大型化后，炉内温度场和烟气流动场的分布均匀性至关重要，因为转化炉管的工作温度已经十分接近其管材最高允许使用温度，如果炉内温度场和烟气流动场不均匀，那么个别转化管极易超温而引起早期损坏，以致不能长周期安全运转。为了解决这一难题，国外一些工程公司专门开发了炉内温度场和烟气流动场的大型模拟软件包，应用这种软件来模拟转化炉内的温度场和烟气流动场，可以获得燃烧器的最正确选型和布置，也可以获得均匀烟气流动场的最正确结构设计。以保证转化炉在极高的平均热强度下长周期安全运行。国内尚未开发这样的软件，这也是国内不敢盲目提高平均热强度的重要原因之一。 热管技术的出现,让油田加热炉的开展又看到了新的生机。由于热管元件不仅传热性能优异，而且具有多种特殊功能，使热管问世不久，就获得颇为广泛的应用。即使在尺寸受限、条件苛刻或其它环境特殊的一些特定场合，传统的换热方式和手段通常无法应用或者事倍功半，甚至难以奏效。但是热管技术往往都能灵活运用，因而崭露头角。毫不夸张地说，从空间到地面，参军工到民用，但凡需要热量交换的场合，热管技术总有用武之地，石油行业自然也不例外。 1942年，美国的R.S.Gangler首次提出了热管的梦想，申请并获得了专利，但因未能付诸实践而影响甚微。直到60年代初美国Los Alamos科学实验室的G.M.Grover及其合作者T.P.Cotter与G.F.Erikson独立地重新创造这种高效传热元件并定名为Heat Pipe，热管的构思才得以实现。G.M.Grover等人首先制成高温钠热管并进行了性能测试，其结果于1964年发表。三十年来，美、德、意、英、法、原苏联和日本等国相继对热管的佣论和应用开展了大量的试验研究，有些已形成系列商业产品。热管技术首先在卫星的温度控制上使用，随即在电子、电机的散热冷却和余热利用等诸方面得到普遍应用。目前，在世界范围内，从空间到地面，参军工到民用，在航大、航空、电子、电机、核工业、热工、建筑、温度调节、余热回收以及太阳能与地热利用等方面已有数以万计的热管正在运行中。 七十年代初期，除了继续研制热管在空间飞行器热控制方面的应用之外，为了解决地面上的传热问题，热管应用也得到了相当大的开展。美国出现了供给商品热管的部门，值得一提的是在横穿阿拉斯加输油管线工程中，应用热管作为管线支撑，保证地面的永冻层，共用112023根热管，这是其在工程设计中的一个最明显的范例。 热管技术应用在加热炉上是在上世纪70年代。1974年以后，热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分重视。1980年，美国Q-DOT公司生产了热管废热锅炉，解决了排烟的露点腐蚀问题。之后，各国的热管换热器研制工作迅猛展开，回转式、别离式等新的结构型式相继出现，并且趋于工业化、大型化。 目前国际开展最快的热管技术为微型热管技术。1984年，科特较完整地提出了微型热管理论，为其研究与应用奠定了理论根底。微型热管的管的管径通常只有1-2毫米，且具有各种形状和尺寸，用于冷却电子户装置的芯片、笔记本计算机CPU、大功率晶体管、可控硅整流器、复印机内发热元件、电路控制板和印刷电路板(PCB)。这些热管的市场目前被日本及美国3家大公司所垄断。美国的热管换热器应用近两年呈上升趋势，主要应用于家用空调。值得注意的是热管元件及热管换热器产品的标准系列正在不断完善，这将给大规模推广应用带来极大方便。 我国于1970年即开始对有吸液芯的热管进行研究，1972年第一支钠热管研制成功，至80年代初我国从事热管研究的科研单位及大专院校已普及全国。我国自1983年首届国内热管会议在哈尔滨召开以来己举行了七