浅析天然气聚介质加热炉的热力计算与分析

【摘要】本文主要通过对天然气聚介质的加热炉工作时的原理与炉体内部进行传热的过程作出分析，明确了对天然气聚介质的加热炉进行热力计算的方法，并设计了数据计算的相关程序。在经过计算后，从炉体的设计给天然气聚介质的加热炉工作时热效率产生影响的主要因素进行了简单探讨。

【关键词】天然气聚介质；加热炉；热力计算

0引言

对于天然气聚介质的加热炉而言，其主要应用范围在接转站、井口与计量站等部门，它作为使天然气防冻升温的一种设备，其作用是把天然气的温度进行加热以满足工艺需求，从而方便对天然气进行粗加工、分离与运输等处理。

1加热炉的基本工作原理

一般而言，天然气聚介质的加热炉通常由火筒、壳体、加热盘管、中间传热的介质等部分组成（如图1）。在这些构成部件中，对于火筒来说，通常由烟管与火管构成，前者往往位于壳体的上方，而后者则处于壳体的另一侧，两者之间相互连通，而加热盘管一般位于壳体上部的空间当中，其内部由中间传热的介质进行填充[1]。

当在天然气聚介质的加热炉开展加热工作时，首先需要在位于炉体下方的火管中对燃料进行燃烧，之后再由烟管与火管上的壁面将热量向中间传热的介质进行传递，然后在对流动于盘管内部需要被加热的天然气进行加热。需要注意的是，由于加热过程中不同介质的温度存在差异，所以中间传热所使用的介质可以选择蒸汽、乙二醇的水溶液或水等，但一般情况下大都选择通过常压水浴的方式进行传热。

2加热炉的热力计算方法

作为在油气行业中所使用的一种特殊加热炉，由于天然气聚介质的加热炉在传热方法与炉型结构上和普通加热炉存在着很大的不同，所以对其热力进行计算的方式也和加热炉的普通炉型存在着天壤之别[2]。

对于天然气聚介质的加热炉来说，对其热力进行计算的目的在于按照此类加热炉所给定的燃料资料、燃烧器的形式、热功率、炉型结构与被加热的介质参数和种类等因素，通过计算对烟气体积、消耗燃料的数量、空气体积、主要结构的尺寸、不同的传热面面积等数据进行确定。通常情况下，计算的主要内容包括火管传热的计算、烟管的相关计算、盘管计算等多个方面。

2.1火管传热的计算与分析

对火管的传热进行计算，其目的在于对火管出口处的烟气温度与火管的壁面吸热量进行确定。由于在传热过程中火管主要依靠的是壁面与高温度火焰之间产生的辐射进行换热，所以在火管中对流换热能力较弱、流速较慢的高温烟气在计算过程中可以不予考虑，其计算公式如下：

需要注意的是，在对火管热力进行分析的过程中，往往需要先对火管出口处的烟气温度进行估算，之后再将计算出的辐射的传热数值与烟气的放热数值进行比较，从而检验所的数值时候可靠。

2.2烟管的相关计算

在天然气聚介质的加热炉中，烟管的作用主要在于对对流热进行传递，但因为在烟气之中三原子的气体含量较大，能够在辐射热的换热份额内占据一定数量，因此在计算时不能将其忽视[3]。一般情况下，在对烟管进行有关计算时，主要工作就是将位于管内烟气一侧的辐射换热与对流换热的系数计算出来。鉴于与管内换热的实验研究存在关联的公式已经较为成熟，因此计算有关于烟管对流的换热系数时可以采用下列公式：

2.3盘管计算

和上文中烟管的传热过程相比，盘管传热的过程相对来说较为简单。由于作为传热介质的加热盘管中存在被加热天然气的流动，而且一般被加热的天然气在盘管中的流动呈现为紊流或过渡流状态，所以在被加热的天然气在盘管中的流动呈现为紊流或过渡流状态时计算换热系数的公式为：

3数据计算相关程序设计

除了上述计算过程外，对数据计算的有关程序进行设计同样也是天然气聚介质的加热炉热力计算过程中必不可少的一个步骤。由于Excel软件自身就内置了能够适应不同静态工程的计算功能，所以在使用Excel对天然气聚介质的加热炉进行热力计算时可以通过手写计算书的方式设计计算程序。在程序计算表中，各行主要由名称、序号、单位、符号、公式、结果或数据来源构成，其中有关计算的公式和结果可以通过直接输入进行录入和计算。有关计算可参考以下图2

4计算结果

在通过上述计算公式与有关数据计算程序进行计算后，需要对各项结果进行严格核查，最后通过计算所得出的与盘管有关的数据和烟管与火管放热的总量与设计的负荷分别进行比较，进而对整套系统中换热量数值是否正常进行核查与校对。

5影响加热炉运行的主要因素

就上述计算而言，对天然气聚介质的加热炉工作状况产生影响的因素主要包括负荷率、空气系数、介质的平均温度与烟管的管径等多个方面。

5.1空气系数

为了保证燃料能够得到充分的燃烧，按照不同燃料自身的特性就必须确保过量的空气系数能够达到一定数值。由于空气系数的过量数值会对加热炉中火管的出口温度与排烟的温度造成不同程度的影响，所以在实际操作时必须要对其进行严格的控制，以保证加热工作的正常进行。

5.2烟管内径

对烟管的内径来说，它所影响的不仅仅是整套加热炉中传热的特性，而且还会在很大程度上直接对整体加热炉中金属消耗的数量产生影响，直接关系到加热炉整体的经济性。因此，对烟管的内径进行合理设计不仅可以有效提高热传导的效率，而且还能够提升系统的经济性能，为企业减少生产成本。

5.3加热炉内的负荷率

除上述两种因素外，加热炉中负荷率的大小同样会给其运行带来影响。由于气田的现场工作较为复杂和多变，为了能够对其适应，加热炉常常需要在工作状况不断变化的环境中运行。一般而言，随着负荷率的增加，火管与烟管中所散发出的热量也会出现上升，容易产生排烟损失与烟管烧蚀的变大，所以，天然气聚介质的加热炉只有将负荷控制在额定数值左右进行工作时，才能既保证热效率的提升，又不对设备造成损坏。

6结语

综上所述， 天然气聚介质的加热炉只有控制在额定负荷与空气系数定量的状态下运行时，才能为高效的热效率提高保障，才能是其发挥出真正的工作能力。

【参考文献】

[1] 张修冰，贾金岭，王仲焕. 利用Excel进行锅炉热力计算[J]. 工业锅炉. 2008（05）

[2] 张园，李稳宏，胡兴民，李冬，廖昌建，李珍. 天然气加热炉腐蚀机理及其防护研究[J]. 腐蚀科学与防护技术. 2009（03）

[3] 郭韵，曹伟武，严平，于彩霞，钱尚源. 天然气加热炉结构及其传热特性分析[J]. 上海理工大学学报. 2009（03）