油气集输课程设计分析

《油气集输工程》

课程设计报告

学    院:_石油与天然气工程学院__专业班级: 油储12-2

学生姓名:     某某某           学   号:  *********

设计地点（单位）________K802______ __  ________ __

设计题目:   某分子筛吸附脱水工艺设计

             ——加热器设计计算_

          完成日期：   2015   年  6 月  25 日 

指导教师评语: _______________________________________

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成绩（五级记分制）:______ __________ 

                指导教师（签字）:________  _______    

摘 要

本次课程设计的题目是关于分子筛吸附脱水工艺中的加热器设计计算，多年来，在油气集输加热领域一直采用管式炉及水套炉。这些传统炉型固然有它的特点和优势，但这些炉型在其工作原理、结构设计及运行管理方面还存在很多的不足，导致加热炉的使用寿命减短，设备的不正常损坏，增加维修费用，并在运行时存在一定的安全隐患。本次课程设计打破传统设计加热炉选型手段，设计了以水为相变换热原理的新型真空相变加热炉，可以很好的解决传统加热炉存在的问题。文章从加热炉的基本原理入手，参照《油田加热炉》的相关理论知识，按照   GB/T 21435-2008《相变加热炉》的设计手册。系统的阐述了加热炉的主要技术参数，通过对加热炉的特点分析及选型依据，介绍了真空加热炉的工作原理，着重的阐述了真空相变加热炉的设计步骤和计算过程，总结了真空相变加热炉这种新型炉型在油田集输加热系统中占有良好的前景。

关键词：加热炉 真空相变 原则 设计 技术参数

1 绪 论

天然气是安全，高效，优质的能源，随着时代的发展，人类环境意识的提高，渐渐的，天然气作为21世纪主要的清洁能源。全世界对天然气的消费量也持续增长，从天然气的发展趋势来看，以及结合我国的经济发展，加快天然气的开发利用，改善世界能源结构，提高国民的生活质量，具有十分重要的意义。

想要好好的利用天然气，为我们整个社会带来福利，处理天然气的工序是十分复杂的。其中之一就是脱出天然气中的水分，从地层开采出来的天然气含有游离水和气态水，对于游离水，由于它是以液态方式存在的，通过分离器就可以实现分离；但气态水，由于它在天然气中以气态方式存在，运用分离器不能完成分离。而气态水又会在天然气管水过程中随着温度压力的改变而重新凝结成液态水。液态水的存在会导致水合物的生成和液体本身堵塞管路、设备或降低它们的负荷，引发二氧化碳、硫化氢的酸液腐蚀，所以脱出天然气中的水分是十分必要的。

目前，天然气脱水工艺比较成熟的有三种方法：低温冷凝法、吸收脱水法和吸附脱水法。而固体吸附法中以分子筛脱水的应用最为普遍，技术也最成熟可靠。也就意味着，只有在分子筛脱水系统中脱出天然气中的水分，才能够保证后面的天然气液化过程的顺利进行，同时也有效防止了设备和管线多的腐蚀，延长设备的使用寿命，提高了经济效益。分子筛脱水是一个物理吸附过程，相比于活性铝土、活性氧化铝和硅胶等固体吸附剂，分子筛具有很好的选择吸附性，以及高效的吸附容量，这是分子筛作为吸附剂的显著优点，这也是为什么工程中大多选用分子筛作为物理吸附剂的原因。

在分子筛吸附脱水工艺中的一个很重要的设备是再生气加热炉。加热炉是将燃料燃烧产生的热量传给被加热介质而使其温度升高的一种加热设备。它被广泛应用于油气集输系统中，将原油、天然气及其井产物加热至工艺所需要求的温度，以便进行输送、沉降、分离、脱水和初加工。稳定的控制再生气加热炉的温度，是保证脱水系统深度脱水的必要条件。所以，设计合理，安全，高效的加热炉，对于整个系统来说都是至关重要的。

2 加热炉的主要技术参数

2.1热负荷

单位时间炉内介质吸收有效热量的能力叫热负荷，其单位为kw。

加热炉设计图纸或铭牌上标注的热负荷叫做额定热负荷。它是根据设计参数计算求得的计算热负荷向上取整至某一系列值。额定热负荷系列值见下表。根据实际运行参数用热平衡公式计算求得的热负荷叫做运行热负荷，运行热负荷一般应不大于额定热负物时，运行参数若与设计参数不一致时，运行负荷将变化。

2.2热效率

热效率是判断加热炉经济效益的一项重要指标，是设备有效利用的热量占供给设备全部热量的百荷。对于某一台尺寸结构已确定的加热炉，若被加热介质为原油、天然气或其他混合分比。它是热量被利用的有效程度的一个重要参数，在额定热负荷时按设计参数计算求得的热效率叫设计热效率，而在加热炉运行条件下测试切得的热效率叫做运行热效率。其计算公式:

                                                    （2.1）

式中  ——加热炉热效率，%；

      ——每小时加热炉损失的热量，kW；

      ——每小时供给加热炉的热量，kW。

    加热炉热效率的计算是相对于一定体系的仅考虑加热炉本炉求得的热效率叫加热炉热效率。而包括加热炉辅机（如鼓风机、引风机、燃烧器等）在内而求得的效率叫加热炉系统效率，因此系统效率应等于或小于加热炉热效率。

2.3流量

单位时间内通过加热炉内被加热介质的量叫流量，其单位一般为t/h或m³/h。在正常运行条件下，通过加热炉的量称为额定流量。而加热炉能安全可靠的运行的最小量叫最小流量，对于某一台结构已经确定的加热炉来讲，若流量大于额定流量，则会使压力降增加；如果流量小于最小流量，则会影响传热效果，或使管式炉炉管内介质偏流，造成炉管局部结焦或烧坏等现象。所以在选用加热炉使，应使流量值的变化控制在额定流量和最小流量之间。

2.4压力

管式加热炉只有炉管承受设计内压力，故管式加热炉的压力一般指管程压力；火筒式直接加热炉仅火筒承受外压力，壳程承受内压力；而火筒式间接加热炉的壳程、管程均承受工艺设计所需压力；相变加热炉也同样均承受壳程和管程的压力；各种加热炉都有与之对应的压力，参照各个对应的标准。

2.5温度

加热炉的温度指标主要有被加热介质进出口温度、炉膛温度和排烟温度。加热原油及井产物时一般由40℃加热到70℃左右。加热炉炉膛温度值一般为750～850℃；而排烟温度则为160～250℃左右。

2.6压力降

压力降是被加热介质通过加热炉所造成的压力损失。压力降的大小与炉管内径、介质流量、炉管当量长度以及被加热介质粘度有关。管式加热炉和火筒式间接加热炉、相变加热炉允许压力降为0.1～0.25MPa，而火筒式直接加热炉的压力降一般则小于0.05MPa。加热炉铭牌或设计图纸上标注的压力降数值是指该炉在设计条件下通过额定流量时的压力降。当运行条件变化时压力降数值应重新核算。

3 加热炉设计基础数据与设计依据

3.1加热炉设计基础数据

3.1.1 原始数据

根据课程任务书内容，已知天然气的进料温度为40℃，进料压力为3Mpa，设计规模为15万方/天，要求脱水到1ppm以下，天然气的基础成分见下表：

表3.1 天然气组成如下表

    进入加热器的被加热介质（再生气）为干气，再生气质量流量为419.7kg/h，体积流量34.20，再生气进炉温度为40℃，出炉温度为323℃。再生气密度12.27kg/m³，再生气定压比热容2.183kJ/()。

3.2加热炉设计依据

    3.2.1 依据的原则

    ①贯彻国家建设基本方针，遵循国家和行业的各项技术标准、规范。

    ②贯彻“安全、可靠”的指导思想，紧密结合上、下游工程，以保证处理厂安全、稳定的运行。

    ③根据高效节能、安全生产的原则，采用先进实用的技术和自控手段，实行现代化的管理模式，实现工艺、技术成熟可靠、节省投资、方便生产。

④充分考虑环境保护，节约能源。

    3.2.2 设计遵循的主要标准、规范

SY/T 0076-2003《天然气脱水设计规范》

SY/T 0524-2008《导热油加热炉系统规范》

    GB 50251-2003《油气集输设计规范》

    GB 8770-1988《分子筛动态水吸附测定方法》

    GB/T 21435-2008《相变加热炉》

4 加热炉的选用

4.1加热炉的选用原则

①所选用的加热炉热负荷能满足工艺要求，能将一定量的被加热介质加热至工艺要求的温度。

②加热炉高效节能。

③安全可靠，使用寿命长，造价低。

④尽量选用系列定型的炉型。

⑤便于操作和维修。

4.2炉型的选择依据

针对加热炉的型式多种多样，不仅有传统的加热炉，也有新型的加热炉。以下是几种加热炉在选择时的依据：

4.2.1 下列条件宜选用管式加热炉

①介质物性较好（如粘度小，不含砂、盐等）。

    ②介质流量，压力波动较小。

    ③大口径输道加热炉。

4.2.2 下列条件宜选用水套炉

①被加热介质为气体。

    ②被加热介质流量、压力波动较大。

    ③一般井口、计量站、接转站宜采用水套炉加热。

4.3 炉型的确定

根据基础数据和初步计算得知，根据公式计算出来的加热炉热负荷为933.4kw，向上取整1000kw，通过对比，在规定的范围内，各式加热炉都有满足条件，水套炉和管式其实都可以，但从安全、高效、节能、设计完备角度考虑，小组决定打破常规，选择一个非传统类的加热炉，即真空相变加热炉。

5 真空相变加热炉的结构、工作原理

5.1真空相变加热炉的结构

图5.1 真空相变炉原理示意图

真空相变加热炉是油田油气集输的新型炉型，真空相变加热炉本体为两回程湿背式结构，主要由燃烧器、油或水盘管、燃烧室、锅筒、烟管、烟箱、热载体、烟囱等组成。

①壳体：壳体是组成真空相变加热的主要部分，由碳钢钢板焊制而成，它能够承受一定的内压力和温度，并具有可容纳内部构件和一定水量的容积。

②盘管：它是相变加热炉的受热面，由无缝钢管和弯头焊成。根据工艺要求可以是一组或多组。

③燃烧器：它是加热炉最重要的部件之一，作用是将燃料和空气按比例混合后喷入加热炉炉膛内进行燃烧而为被加热介质提供热量。燃烧器主要分为天然气燃烧器和油燃烧器。

④烟囱：排除炉内废烟气并产生抽力以使助燃空气进入燃烧器。

⑤安全附件：主要包括可水位表、温度表、放空阀。

5.2真空相变加热炉的工作原理

真空相变炉的核心是将锅筒内的热水介质加热汽化产生蒸气，蒸气与低于其饱和温度的盘管壁面相接触时，就会释放汽化潜热凝结成液滴而依附在壁面上。液滴聚结后再回到锅筒内的液相中，如此循环往复，气、液两相交替转换，从而完成能量的转移和转换。液体相变换热的主要特点是液体温度基本保持不变，并在相对较小的温差下，达到较高强度的放热和吸热的目的。

    加热炉的基本工作原理:燃烧器将燃油充分燃烧，通过辐射，传导将热量传递给锅壳内的中间介质—水。水受热膨胀产生蒸气，蒸气与低温的盘管壁换热，冷凝成水，将热量传递给盘管换热器内流动的工质。凝结后的水继续被加热汽化，如此循环往复，实现加热炉的换热。

    安装于锅壳上的铂热电阻，将内部的蒸气温度信号传至温度数控仪整形放大，一路数字显示温度，一路与上限、下限设定温度相比较，做出判断，控制燃烧器工作状态。通过对锅壳内温度的动态控制，保证即使工质流量发生显著变化，也可使工质输出温度始终控制在需要的范围内。

锅壳上装有液位变送器和压力变送器，当锅壳内水位低于下限时，报警仪发出声光报警；当水位低于缺水水位时，自动切断燃料阀，停止燃烧。如果锅壳内压力意外超压，安全阀因故障未能及时开启，压力数控仪会发出警报，同时立即切断燃烧。

6 真空相变加热炉的设计步骤及计算

6.1确定加热炉主要技术参数

    ①热负荷的计算：

                                              （6.1）

       Q向上取整至系列值为1000kw

式中  ——被加热介质所需的热负荷，kW；

      ——被加热介质质量流量，t/h；

      ——被加热介质定压比热容，；

      ——被加热介质入炉温度，℃；

      ——被加热介质出炉温度，℃。

根据计算的热负荷，按照 GB/T 21435-2008《相变加热炉》规定，选用与之相接近的标准规定的热负荷，即为1000kw。

    ②壳程工作压力：

所选用的为真空相变压力变，按照 GB/T 21435-2008《相变加热炉》规定，选择标准规定的额定工作压力，为额定工作压力为0.1MPa。

③管程设计压力：

按照 GB/T 21435-2008《相变加热炉》规定，选择与之接近的标准规定的工质入口压力为4.0MPa。

6.1真空相变加热炉参数系列表

6.2.1 实际空气需要量

    燃烧所需的氧，一般都取自空气，考虑到空气中氧气所占的容积百分数为21%，则1kg燃料完成燃烧需要的以标准立方米计的空气是（以符号表示）为：

                       （6.2）

式中  ——理论空气需要量，；

  C、H、S、O——燃油的组分含量。

实际空气量与理论空气量的比值，称为过量空气系数，用符号α表示。炉膛的过量空气系数一般为1.05～1.20，即：

                                                    （6.3）

    6.2.2 炉膛尺寸的确定

根据已知加热炉的炉膛容积热负荷数值一般在（12.6～21.0）×范围，按照以下公式计算炉膛容积V：

                                           （6.4）      

式中  B——加热炉的燃料消耗量，kg/h；

     ——燃料的低位发热值，。   

    由于加热炉炉膛内炉管为单程串联，一般布置成圆筒形，可使各炉管受热均匀，因而，炉膛直径D可按下式来确定：

                                                   （6.5）

式中  D——炉膛直径，m；

      V——炉膛容积，；

      L——炉膛长度，m。

6.2.3燃烧器的选择

加热炉选用燃烧器的基本原则：

    ①单台燃烧器的输出功率必须考虑加热炉的热效率。高海拔地区选用燃烧器时必须考虑修正系数。

②使用燃料必须与生产条件匹配。

③燃烧器的结构或火焰形状必须与加热炉工艺要求、炉膛结构、传热特点相匹配。

④以重值燃料油为燃料时，燃烧过量空气系数≦1.2；以轻质油为燃料时，燃烧过量空气系数≦1.15；以炼厂瓦斯或天然气为燃料时，燃烧过量空气系数≦1.1。

⑤燃烧噪声≦80Db，燃烧产物中的含量≦120ppm。

⑥强制供风燃烧器在自然供风时必须满足生产需要。

⑦燃料喷嘴装卸方便，运行中燃烧道不结焦，连续运行时间在3年以上。

    由于真空相变加热炉属于新行加热炉，采取自动控制系统，对于燃烧器的调节方式为自动调节方式。同时燃烧器按燃料的分类分为燃油燃烧器和燃气燃烧器。按照GB/T 21435-2008《相变加热炉》规定，同时考虑到炉膛的尺寸大小，最终确定为转杯雾化式燃油燃烧器。

6.3加热炉的设计计算

    ①燃烧室设计计算：

由加热炉的功率及燃料的低位热值，可以计算得到燃料的消耗量：

                                            （6.6）

式中  B——燃料的消耗量，kg/h；

 ——加热炉额定功率，kW；

 ——燃料的低位发热值，；

      ——加热炉的设计热效率。

    ②烟管和盘管传热面积的确定：

在烟管中，烟气主要以对流传热方式把热量传给受热面的中间介质，同样，在盘管中，被加热介质也主要通过对流传热方式来吸收热量，对流受热面的计算见下式：

                                                       （6.7）

式中  H——受热面积，；

  Q——传热量，kW；

  K——传热系数，W/()；

      ——对数平均温压，℃。

    对数平均温压计算公式见下式：

                                              （6.8）

式中  ——中间工质与管内流体的最大温压，K；

      ——中间工质与管外流体的最小温压，K。

6.4真空相变加热炉选型

此次设计的真空相变加热炉选型参照上述计算结果，由于市面上无通用的真空相变型号，所以按照给定的参数让厂家进行定制。

7 结 论

此次设计的真空相变加热炉的燃烧室选择采用波纹炉胆，因波纹炉胆有更好的热膨胀性，可大幅度减少热应力，增加加热炉的安全性并延长使用寿命。同时因波纹炉胆传热面积大约是管感传热面积的两倍，增强了传热效果，且大幅度的降低了炉膛表面热负荷。烟管采用螺纹烟管，保证了烟速适中，使烟气进入烟管时不致于流速过高，从而使烟气自炉膛进入烟管时，有一平滑过渡。锅筒上部的换热盘管采用的是蛇形盘管，呈三角形布置，充分的增大与蒸汽换热时间。具体的真空加热炉参数见下表：

表7.1真空相变加热炉主要设计参数系列表

[1] 邓寿禄 王贵生.油田加热炉[M].北京：中国石化出版社 2011:101—150

[2] 梁平 王天祥.天然气集输技术[M].北京：石油工业出版社 2008：-120

[3] 油田油气集输设计技术手册[M].北京：石油工业出版社 1994:23—80

[4] GB/T 21435-2008相变加热炉[J].北京：中国标准出版社 2008:12—50

[5] 张志英，陈国岩.相变换热热水锅炉[M].中国石化出版社 2003:120-160