热载体炉串并联设计的对比分析

刘　雁，石俊峰

（北京航天石化技术装备工程公司，北京100166）



热载体炉串并联设计的对比分析

刘雁，石俊峰

（北京航天石化技术装备工程公司，北京100166）

在石油化工、纺织印染和轻工等行业的生产过程中，当加热要求均匀缓和，严格控制和调节加热温度时，常采用热载体炉的加热方法。本文对热载体炉的结构形式及热力参数进行对比分析，研究分析了各种炉型的优缺点，为热载体炉的优化设计提供理论指导。

热载体炉；串联；并联；热力参数

热载体炉中循环的中间载体有水蒸气、导热油或者无机盐类。由于受饱和蒸汽压的限制，一般情况下，饱和水蒸气作中间载体只能用于200℃以下。若要超过200℃，相应的蒸汽压力也要提高，这将增加设备的制造费用。当温度超过200℃，小于400℃时，可以采用导热油作为中间载体。导热油品种较多，有透平油、常压三线油，YD油及Thermol油等。当温度大于400℃时，由于导热油的物理性质的局限，一般采用无机盐类做为热载体。熔盐是常用的无机盐，是亚硝酸盐、硝酸盐的混合物。熔盐在常压下的熔点是142℃，常压下可以加热到540℃。直接火焰加热的方式加热中间载体的工业炉称为热载体炉。一般20 MW以下的热载体炉可以做成整体撬装型式，结构紧凑、简单，体积小且占地面积少，对材料等级要求也不高。这种热载体炉一般为微正压操作，整个系统由鼓风机提供系统正常运行所需压头。

1　热载体炉基本结构

现在最常用撬装热载体炉为密排螺旋盘管式立式圆筒炉结构，见图1。内部的加热盘管分为串联管路和并联管路，见图2及图3。内层盘管的内部构成辐射炉膛，内层盘管的外部和其它层盘管构成了对流受热面。整个盘管整体放置于炉壳内部。燃烧器可以放置于炉膛顶部或者底部，由燃烧控制系统对热载体炉进行负荷调节及安全监测。

串联管路中，介质一般由下部统一进入到外层螺旋盘管中加热，然后通过炉膛上部的内部转油线统一折返到内部盘管中进行加热，最后由内层盘管下部排出加热炉。从加热炉中排出的介质温度即为工艺要求的设定温度。

并联管路中，介质一般由下部分别进入到内层及外层的密排螺旋盘管进行加热，由上部排出加热炉，流路没有折返。由于传热类型及烟气温度的不同，从内外层盘管中排出的介质温度不一致，需要在管路中进行掺混到预定温度。

图1　热载体炉基本结构图

图2　串联管路图　

图3　并联管路图

无论是并联管路还是串联管路，燃料在炉膛内部燃烧产生高温烟气，在炉膛内与盘管内的热载体进行辐射换热后，进入到内外盘管的夹层之间进行对流换热，最后排出加热炉。

2　热力计算

炉内螺旋盘管为整个热载体炉的核心部件，关系到加热炉的热力性能及安全性能。根据输入条件，合理的选择管路的型式和换热面积对正常操作尤为重要。热载体炉炉管的结构形式及换热面积是否合理要通过热力计算来最终判定。

传热计算一般分为设计计算和校核计算。设计计算是根据换热量确定换热量；校核计算是先假定结构参数和面积，求换热量。热载体炉的计算通常是试算法，先初步假定结构参数和面积，求出换热量，求出换热量和要求的换热量相符（一般允许有2%以下的误差）为止。这也就是说校核计算是最常用的计算方法［1］。炉内的传热计算分为辐射换热计算及对流换热计算。无论是并联管路还是串联管路，热力计算框图基本一致，只是计算出的热力计算参数差别比较大，如内层盘管介质出口温度、最高液膜温度及压降等。因此，常常需要自己根据热力参数的比较及经济性对比，确定合理的串或并联结构及换热面积。

热载体炉内的辐射换热的计算方法采用罗波-伊万斯法。这种计算方法中的辐射室传热速率方程为［2］：

式中：QR—总换热量，W

α—角系数，无量纲

Acp—冷平面面积，m2

AR—辐射换热面面积，m2

F—交换因素，无量纲。用于考虑火焰的黑度，反射墙的布置，燃烧室的体积等校正系数

hRC—辐射室内对流换热系数，W/（m2·K）

Tg—辐射室烟气温度，K

Tw—辐射管外壁平均温度，K

热平衡方程：

式中：QR—辐射换热量，W

B—燃气用量，m3/s

Vy—实际烟气流量，m3/m3燃气

Hmax—理论火焰温度下烟气焓值，J/m3

Hg—炉膛温度下烟气焓值，J/m3

管壁温度计算公式：

式中：tj，tc—介质的进口温度，℃

hi—管内介质的对流换热系数，W/（m2·K）

Rj—管内污垢热阻，（m2·K）/W

δ—管壁厚度，m

λs—管材导热系统，W/（m·K）

qR—辐射管的平均热强度，W/m2

d0—炉管外径，m

di—炉管内径，m

另外，热载体炉中液膜温度的计算也至关重要。因为在运行过程中液膜温度高于热载体允许液膜温度，会导致热载体变质，严重影响整个系统的运行。计算液膜温度要低于允许液膜温度。液膜温度计算如下：

式中：tf—最高液膜温度，℃

qmax—辐射管的最高热强度，W/m

炉内辐射换热部分程序框图如下：

图4　炉内辐射换热部分程序框图

炉内对流换热强度远远低于辐射换热强度，但是对流换热总量约占总热量的30%～50%，所以对流换热也需精确计算。热载体炉炉管内加热的均为单相液体，所以管内均能达到湍流状态。管外烟气流速较高，一般处于10～20 m/s的范围内，也可以达到湍流状态。但是，管内介质的对流换热系数远远高于管外，所以管外热阻是影响传热的主要因素。对流传热公式为［3］：

式中：Qc—对流换热量，W

K—传热系数，W/（m2·K）

A—对流换热面积，m2

Δtm—对流平均温差，℃

能量方程：

式中：Hin—对流段进口烟气焓值，J/m3

Hout—对流段进口烟气焓值，J/m3

炉内对流换热部分程序框图如图5所示：

图5　炉内对流换热部分程序框图

整个热力计算过程均为试算过程，辐射换热与对流换热计算打印出的热力参数均需要运用专业知识及行业标准进行判断分析，判断出不合理的热力参数，通过结构的变化优化热力参数，使其达到性能及安全性的要求。

介质的压降计算在热载体炉的工艺计算中同样重要。在工程设计计算中，根据流体接触的边壁是否变化，把能量损失分为两类：沿程损失hf及局部损失hm。压降计算公式［4］：

式中：P—压降，kPa

λ—沿程阻力系数，无量纲，根据莫迪图选取

l—管道长度，m

d—管道内径，m

ρ—介质密度，kg/m3

v—管内介质流速，m/s

ξ—局部阻力系数，无量纲

炉内的压降是选择循环泵的重要依据。炉内介质压降大，需要的泵的扬程高，一次性投资高，运行不经济。压降小，说明介质在炉管内流速低，换热差，液膜及管壁温高。所以，压降值既要考虑运行的经济性，又要兼顾热力参数的合理性。

3　热力性能比较

通过具体项目，分别计算出在串联和并联结构下热载体炉的内外层盘管的介质出口温度、压降等参数，并与现场实际运行结果作对比分析，见表1和表2。

表1　采用串联结构参数比较

表2　采用并联结构参数比较

此项目加热炉采用串联结构主要是考虑了液膜温度的因素。并联结构中计算液膜温度已经达到允许液膜温度，实际运行中此种结构一定会导致热载体变质，所以在此种工况下不能采用并联结构。而串联结构计算所得液膜温度低于允许液膜温度，但从计算角度分析是安全的。在加热炉运行过程中，整个系统运行稳定，未发现热载体结焦变质状况。且热载体炉出口温度均匀一致，可调节性好。

此项目加热炉采用并联结构主要是考虑了投资及运行的经济性，采用并联结构大大降低了压降，从而可以有效降低循环泵的压头，节约了成本。由于此种热载体允许液膜温度较高，所以采用并联结构计算得出的热力参数也能满足性能要求及安全运行要求。故采用并联结构是合理的。

4　结语

一般来说，并联结构的加热炉中介质在加热工程中产生的压降较小，但是液膜温度较高，如果最高液膜温度低于允许液膜温度，那么，也可以考虑采用并联结构。这时热力参数符合要求，且可以采用压头较低的泵型，节省了一次性投资，且运行费用也能降低。但是，并联结构中内层盘管出口温度与外层盘管出口温度不一致，需要掺混后才能达到工艺要求的设定温度。如果两股介质掺混不完全就经过测温装置，那么就会导致测量误差而影响燃料的调节，进而影响整个工艺系统的运行参数测量的准确性。串联结构整体的压降会高于并联结构，但是液膜温度较低。可以通过增加流路的数量的方法一定程度上降低介质压降，尽可能降低泵压头。串联结构中介质出口温度均匀，无需掺混，出口温度即为工艺要求的设定温度，温度测量较准确。工艺过程要求热载体出口温度较高且接近热载体允许使用温度的情况下，建议使用串联结构。工艺过程中要求精度较高的情况下，亦建议使用串联结构。

［1］冯俊凯.锅炉原理及计算［M］.3版.北京：科学出版社，2003.

［2］钱家麟.管式加热炉［M］.2版.北京：中国石化出版社，2007.

［3］陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［4］蔡增基.流体力学泵与风机［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，1999.

Comparative Analysis for Parallel Connection and Series Connection Design of Thermal Media Heater

LIU Yan，SHI Junfeng
（Beijing Aerospace Petrochemical Technology Equipment Engineering Corporation，Beijing 100166，China）

The thermal media heater is applied when heating uniformity is required and temperature adjustment is controlled strictly in petroleum，textile and dyeing and light industry.The structural style and thermodynamics parameters of thermal media heater are compared and analyzed，and the merits and demerits of different thermal media heaters are revealed to optimized design.

thermal media heater；series connection；parallel connection；thermodynamic parameter

TK11+2

A

1001-6988（2016）02-0039-04

2015-12-14

刘雁（1980—），女，高级工程师，硕士研究生，研究方向为工业炉相关技术.