不同中间载热介质天然气加热炉的研究

郭 韵，曹伟武，钱尚源，严 平

（1上海理工大学，上海 200093；2上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620）

研究开发

不同中间载热介质天然气加热炉的研究

郭 韵1,2，曹伟武2，钱尚源2，严 平2

（1上海理工大学，上海 200093；2上海工程技术大学机械工程学院，上海 201620）

天然气加热炉是采用中间载热介质间接加热的一种特殊的炉型形式，中间载热介质的性质及其传热过程的形成是影响天然气加热炉效率的重要关键因素。本文通过天然气加热炉试验系统对大筒体内水和乙二醇两种不同中间载热介质的温度分布和热流场进行了分析比较，研究不同中间载热介质对天然气加热炉换热的影响，并结合工程实际的需要，从中间载热介质的选择和加热炉整体传热结构两方面，提出了改善天然气加热炉效率的有效途径，并获得了国家发明专利授权。

天然气加热炉；载热介质；乙二醇；试验系统

在天然气开采和输送过程中，为防止由于天然气温度过低而导致其中含有的水合物析出凝结成固体，堵住管道设备，引起事故，需要加热[1]；在天然气应用过程中，往往需要对其减压，当压降较大时会导致天然气温降过大，为满足燃烧需要以及提高效率等工艺要求，需要加热[2]；此外，在液化天然气（LNG）输配应用系统中，要使 LNG气化，也需要加热。

因此，天然气加热炉是天然气供应流程中不可缺少的重要装备，应用面广且量大，设计制造高效节能的天然气加热炉极为重要。

1 天然气加热炉的特殊结构

天然气加热炉的加热对象是需要升温的天然气，且往往是中压或高压的原料天然气。原料天然气本身易燃易爆，为安全起见，相关标准规定不准用明火或烟道气直接加热，而必须通过中间载热介质间接加热天然气。

因此，天然气加热炉通常采用整体组装式结构，在一个大直径的大容积筒体内布置火筒、烟管束等加热受热面和对流管束等冷却受热面，加热和冷却受热面以大筒体圆截面中心轴呈轴对称布置，且都浸没于中间载热介质中，如图1所示。加热炉工作时，燃料气和空气由燃烧器混合后喷入大筒体下部一侧的火筒燃烧产生高温烟气，烟气经火筒流入大筒体下部另一侧的烟管束，最后经烟囱排入大气。由于火筒、烟管束和对流管束均浸没在中间载热介质中，高温烟气将热量通过火筒壁和烟管壁传递给中间载热介质，中间载热介质再将大部分热量通过对流管束壁传递给被加热天然气。所以在该过程中，中间载热介质的选择及其传热过程的形成，是影响天然气加热炉效率的重要环节[3]。

图1 天然气加热炉结构示意图

2 中间载热介质的选择

对于利用中间载热介质作为传递热量载体的天然气加热炉，中间载热介质的选择非常重要。而中间载热介质的选择主要取决于操作温度，即加热或冷却所要达到的温度，同时还要考虑温度调节的方便以及载热介质的比热容、蒸气压、沸点、凝固点、热稳定性、毒性、腐蚀性和价格等因素[4]。其中，传热性能的好坏、适用的压力和温度范围，决定了天然气加热炉效率的高低和适用范围。

目前，油气田加热炉多采用水作为大筒体内的中间载热介质来传递热量，俗称水套炉[5-7]。众所周知，水具有良好的传热特性，并且不燃烧，价格低廉。但受加热稳定性较差及大气压下饱和温度低的制约，使用受到一定的限制。近年来，乙二醇作为中间载热介质常出现在工程实际中[8-10]，它是一种无色透明糖浆状液体，适用的压力和温度范围较宽，性质也相对稳定。本文作者结合工程实际的需要，对大筒体内水和乙二醇这两种中间载热介质的温度分布进行分析比较，研究不同中间载热介质对天然气加热炉换热的影响，进而提出改善的有效途径。

3 天然气加热炉试验系统

天然气加热炉试验系统由加热炉本体、燃气燃烧器和加热系统、被加热系统以及数据采集系统组成，试验系统精度达 99.5%。其中，加热炉本体为一台130 kW的实物天然气加热炉，在加热炉大筒体上设计了多个人孔[11]，方便对设备结构实施改造，进行天然气加热炉的一系列研究，如图 2(a)所示。

温度测量是本研究的一个关键，除了在大筒体外壁面、烟箱、排烟管出口以及被加热天然气进出口处布置了温度测点，还在大筒体中心圆截面D上布置了一个八头 WRNK型铠装热电偶和一个单头WRNK型铠装热电偶，共9个测点，如图2(b)所示。其中，测点0位于截面圆心处；测点1布置在大筒体左侧的对流管束第三管程区域，测点2位于大筒体右侧的对流管束第二管程区域，测点3布置在大筒体左侧的对流管束第四管程区域，测点4位于大筒体右侧的对流管束第一管程区域；测点5布置在烟管上方，测点6布置在火筒上方，测点7布置在烟管下部，测点8在大筒体的底部。

图2 天然气加热炉试验系统

4 试验方案

根据研究需要，分别选用水和乙二醇为载热介质。由于乙二醇价格相对较高，为避免造成浪费，先对水进行试验。考虑到乙二醇的膨胀性，加热炉内加入的乙二醇溶液要少于其容量的 5%以上，以防止温度升高介质外溢。

鉴于大筒体内中间载热介质容量较大，试验时，大筒体内温度始终在变，为判断试验工况是否达到稳定或准稳定状态，必须确定判断标准。多次测试发现：截面D圆心处的测点0的重复性和一致性都很好，可以作为判断加热炉运行准稳定状态的基准点，定义为加热炉中心温度。当监测到加热炉中心温度维持在某一恒定值，其波动范围在±0.1℃内时，认为达到准稳定工况，此时开始数据采集记录。

5 试验结果与分析

5.1 不同中间载热介质的筒内温度分布

图3(a)是燃料量为8 m³/h，中间载热介质分别为水和乙二醇时截面D上各测点的温度分布图。图3(b)是燃料量为16 m³/h，中间载热介质分别为水和乙二醇时截面D上各测点的温度分布图。

从图3中可见，无论中间载热介质是水还是乙二醇，截面上各对应测点的温度分布趋势基本一致，截面的垂直和水平方向上有明显的温度分层现象。最高温度均出现在位于火筒上方的测点6，其次为烟管外壁附近的测点5和测点7，说明温度较高的载热介质主要分布在火筒和烟管外壁面附近及顶部。布置在对流管束附近的测点温度相对较低，且分布在4个管程区域的测点之间存在一定温度差。最低温度始终位于大筒体底部的测点8处，在接近大筒体底部的区域，空间较窄，大筒体内壁导热层与火筒和烟管外壁导热层重叠，形成纯导热区，成为流动死角，因此该区域的温度最低，测点8的温度比其它区域的温度要低5～15 ℃。试验结果显示，贴近火筒和烟管束壁面的载热介质温度较高，因此将形成上升流，而对流管束附近的载热介质温度相对较低，则将形成下降流，由于加热和冷却受热面以圆截面的水平直径对称布置，之间没有适当的通道，导致这二股流动将发生碰撞而无法形成循环；以圆截面垂直直径对称布置的火筒和烟管束之间，

图3 不同中间载热介质截面D上的温度分布

以及对流管束的各管程之间由于温差，也会出现流动的对冲。在整个流场中，还存在着不少流动死角，如大筒体底部等。因此，天然气加热炉内加热和冷却受热面对称布置的结构造成中间载热介质流动不畅，导致其传热效果大大下降，从而使天然气加热炉效率降低，能耗高。

从图3还可看出，当天然气加热炉稳定传热时，在同样条件下乙二醇的各测点温度比水的温度高10～30 ℃。图3(a)中，燃料量为8 m3/h，乙二醇的中心温度达89.5 ℃，而水的中心温度只有75 ℃；如图3(b)中，燃料量为16 m3/h，乙二醇的中心温度达110.5 ℃，而水的中心温度只有84.4 ℃，这是因为水的比热容量比乙二醇高得多而导致的。由于乙二醇具有沸点高、蒸汽气压低的优点[12]，能在更宽的温度范围内工作。但是，在接近大筒体底部的局部区域，乙二醇的温度（测点 8）相对于其它测点温度，要低很多，这是因为乙二醇的黏度较大，削弱了浮升力的作用，更容易形成流动死角。

5.2 不同中间载热介质加热炉的热效率

图4是燃料量分别为8 m3/h、10 m3/h、12 m3/h、14 m3/h、16 m3/h，中间载热介质为水和乙二醇时天然气加热炉的运行热效率。

图4 不同中间载热介质加热炉热效率

如图4所示，随着燃料量的增加，天然气加热炉热效率逐渐提高，载热介质为水时，当燃料量增加到10 m3/h，加热炉热效率达到峰值，载热介质为乙二醇时，加热炉热效率达到峰值时的燃料量为12 m3/h，燃料量继续增加，加热炉热效率反而下降，这是因为当燃料量过大，相应的排烟热损失增加。反之，当燃料量过小时，筒壁热损失增加，也将导致加热炉运行热效率下降。

增大传热温差是强化传热的方法之一。本研究中传热温差主要由被加热天然气和中间载热介质的温度决定，其中被加热天然气的温度由生产工艺决定，不能随意变动，而载热介质的温度则与所选载热介质的性质有关。如前所述，当天然气加热炉稳定传热时，在同样条件下乙二醇的各测点温度均比水的温度高，也就是说，在所有对应工况下，介质乙二醇的工作温度明显要高于介质水的工作温度。以水为中间载热介质时的工作温度不高，造成载热介质水与被加热天然气之间的温压较小，从而降低了传热效率；中间载热介质为乙二醇时工作温度较高，最高可达170 ℃，与被加热天然气的温压相对较大，传热效率提高，从而加热炉运行效率相对更高。因此，如图4所示，在相同试验工况下，采用乙二醇时的加热炉运行热效率均要比采用水时的高。这也是利用乙二醇作为中间载热介质的重要原因之一。

在保持系统常压状态下，乙二醇能在较宽的温度范围内工作。但由于前述天然气加热炉常规结构上的限制以及乙二醇黏性大等原因，不利于有效传热流场形成，因此，通常情况下其热效率小于87%。如果能在加热炉传热元件的设计上进行改良，将有利于提高天然气加热炉的热效率和扩大适用范围。

6 天然气加热炉传热元件的优化

针对天然气加热炉传热结构上的不足，以及中间载热介质乙二醇黏性较大的特性，提出一种带隔板的新型结构，即采用在大筒体内加装导流板组织流场的方法，使中间载热介质形成有组织的流动，从而充分利用加热和冷却受热面，达到提高天然气加热炉效率的目的。

导流板的设置，合理分隔火筒、烟管束和对流管束之间中间载热介质的流动区域，迫使吸收高温烟气热量的中间载热介质顺着导流板方向向上流动，经过对流管束放热后，沿导流板另一侧向下流动，形成循环均匀的流场。导流板起到了使流场整体有效顺畅流动的效果。如图5所示，火筒和烟管束周围的上升流在双导流板的引导下，分别流经各自上方的对流管束放热后，向下回流到火筒和烟管束周围，从而在大筒体内形成由中间向上再经两侧向下回流的双循环流场[13]。

图5 导流型天然气加热炉热流场分布图

通过加装导流板，引导中间载热介质在大筒体中形成整体有组织的顺畅流动，消除热流场死角，有效促使靠近壁面的热边界层变薄，从而提高了传热效率。对于黏性较大的流体，如乙二醇，尤其需要这种导流式的强化传热方式。所以，就天然气加热炉的特殊传热结构和载热介质乙二醇特性而言，在大筒体内加装导流板是一种有效的强化换热手段，研究表明，加热炉效率可提高3%[14]。

7 结 论

（1）天然气加热炉加热和冷却受热面对称布置的结构不利于传热流场的形成，造成天然气加热炉热效率低（小于87%），能耗高。

（2）通过对水和乙二醇两种中间载热介质进行试验比较，显然在常压下乙二醇的工作温度要比水的工作温度范围宽。但由于其黏性大，削弱了浮升力的作用，更容易形成流动死角。

（3）对于天然气加热炉而言，乙二醇作为载热介质的优势主要取决于其操作温度和加热炉传热元件的设计。

（4）设置导流板能优化整体传热结构，使大筒体内形成有效顺畅的流场，简单而有效，尤其对于乙二醇这种黏性大的中间载热介质，能够促进对流换热，提高传热效率，降低能耗。

（5）导流型乙二醇天然气加热炉的结构简单，适用范围广，启动快，效益明显，可在短期内回收投资，易推广使用，经济效益非常可观。

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Investigation on natural gas heater w ith different heat-transfer medium

GUO Yun1,2，CAO Weiwu2，QIAN Shangyuan2，YAN Ping2
（1University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2College of Mechanical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

As a special type of furnace，the natural gas heater adopts the indirect heating by the heat-transfer medium. Apparently，the properties of the heat-transfer medium and the form of heat transfer process of the heat-transfer medium in the cylinder are the key elements that greatly affect the thermal efficiency of natural gas heater. Analysis and comparison of the temperature distribution and flow condition between the water and ethylene glycol in the cylinder were carried out by experimental investigations. Based on the investigations on medium selection and heater’s integral structure and combining w ith the engineering practical needs，effective measures to improve the efficiency of natural gas heaters have been brought forward in this article and the technology has got itself the China invention patents．

natural gas heater；heat-transfer medium；ethylene glycol；experimental system

TE 963

A

1000-6613（2012）06-1206-05

2012-03-20；修改稿日期：2012-03-29。

上海市重点学科建设项目（P1401）及上海市科委重大科技攻关项目（72112015）。

及联系人：郭韵（1976—），女，博士，副教授，现主要从事天然气加热技术的研究。E-mail graceguo1977@126.com。