油田聯(lián)合站換熱器性能檢測與熱經(jīng)濟(jì)性評價

鄧壽祿 王貴生 黃學(xué)義

1.中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心（山東東營257001）

2.中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠（山東東營257061）

油田聯(lián)合站換熱器性能檢測與熱經(jīng)濟(jì)性評價

鄧壽祿1王貴生1黃學(xué)義2

1.中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心（山東東營257001）

2.中國石化勝利油田分公司油氣集輸總廠（山東東營257061）

基于換熱器性能的現(xiàn)場檢測，對換熱器主要性能指標(biāo)進(jìn)行了計算，分析了換熱器的能量利用、換熱系數(shù)和換熱能力利用情況，指出了換熱器的換熱能力利用不足，有待進(jìn)一步提高。通過對換熱器的熱經(jīng)濟(jì)性評價，計算了換熱器的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明加熱爐耗用的原油燃料價格越高，聯(lián)合站用熱技術(shù)改造項目獲得的經(jīng)濟(jì)效益越大，結(jié)論指出本次熱經(jīng)濟(jì)性評價表明該項目的技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)可行。

油田聯(lián)合站換熱器性能檢測熱經(jīng)濟(jì)性評價

根據(jù)油田燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整計劃，勝利油田對部分聯(lián)合站供用熱系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。原有的聯(lián)合站脫水加熱和外輸加熱是以加熱爐耗用原油直接加熱為主，這次技術(shù)改造要求，利用社區(qū)燃煤鍋爐供熱取代加熱爐直接加熱，社區(qū)燃煤鍋爐供給的蒸汽或熱水通過聯(lián)合站汽-液換熱器和液-液換熱器對油水混合物或原油進(jìn)行加熱。為評價改造后換熱器的傳熱性能和經(jīng)濟(jì)效果，對投產(chǎn)后的聯(lián)合站換熱器進(jìn)行了性能檢測與熱經(jīng)濟(jì)性評價。這次性能檢測與熱經(jīng)濟(jì)性評價的換熱器包括坨一站、坨六站、孤二聯(lián)、孤三聯(lián)、孤六聯(lián)等6個聯(lián)合站投產(chǎn)使用的換熱器，其中坨一站為汽-液螺旋板式換熱器，其余均為液-液螺旋板式換熱器。

1 換熱器性能檢測

換熱器是熱力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，為了節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，要求換熱器各項性能指標(biāo)運(yùn)行良好。作為新投產(chǎn)的換熱器，為了評價其投產(chǎn)后的各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，必須依靠換熱器的性能檢測，采集現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，綜合分析其運(yùn)行狀況，評價其性能的優(yōu)劣。

換熱器性能檢測采用現(xiàn)場在線檢測，在檢測過程中換熱器保持正常的運(yùn)行狀態(tài)。檢測使用儀器包括便攜式超聲波流量計、在線流量計、測厚儀、溫度計、壓力表、遠(yuǎn)紅外測溫儀、含水分析儀。檢測項目包括換熱器高溫側(cè)介質(zhì)流量、進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓力，換熱器低溫側(cè)介質(zhì)流量、進(jìn)出口溫度、進(jìn)出口壓力、原油含水率，換熱器外表面溫度。

1.1 換熱器性能指標(biāo)

換熱器性能指標(biāo)主要包括傳熱系數(shù)、傳熱效率、熱容量比、傳熱單元數(shù)。

1.1.1 傳熱系數(shù)

式中K─傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

mh、mc─熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/h；

cph、cpc─熱、冷流體的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；

T1、t1─熱、冷流體的進(jìn)口溫度，℃；

T2、t2─熱、冷流體的出口溫度，℃。

A─傳熱面積，m2；

Δtm─對數(shù)平均傳熱溫差，℃。

1.1.2 傳熱效率

換熱器傳熱效率是指實際傳熱量與最大可能傳熱量之比值，用ε表示。

逆流時，當(dāng)(mcp)h較小時：

當(dāng)(mcp)c較小時：

式中ε─傳熱效率。

1.1.3 熱容量比

換熱器的熱容量比就是指熱流體和冷流體熱容量流率的比值，即

式中C─熱容量比；

Cc─冷流體的熱容量；

Ch─熱流體的熱容量。

1.1.4 傳熱單元數(shù)NTU[1]

傳熱單元數(shù)是表示換熱器換熱能力大小的一個無量綱的準(zhǔn)則，是一個反映換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)。

式中NTU─傳熱單元數(shù)；

Cmin─換熱器冷熱熱容量中較小的熱容量。

1.2 換熱器性能檢測測算數(shù)據(jù)(表1）

表1 換熱器性能檢測測算數(shù)據(jù)

1.3 換熱器性能檢測結(jié)果分析

1.3.1 能量利用方面

由于換熱器為熱量交換設(shè)備，故通過考察其高溫、低溫側(cè)的熱平衡情況，可以反映其熱能利用與損失情況。當(dāng)剔除儀器誤差、測試中的讀數(shù)誤差等各種因素的影響外，熱平衡相對誤差大致反映了換熱器在進(jìn)行熱量交換的過程中，所損失的熱量（主要為散熱損失）占換熱量的百分比。一般地，熱平衡誤差越大，表明熱量損失越大。從表1可見，所測試的換熱器其熱平衡誤差在2.80%～18.75%之間，其中坨一站的熱平衡誤差最大為18.75%，亦即是說在高溫側(cè)（高溫蒸汽）所傳遞的熱量中，僅有81.25%的熱量被低溫側(cè)(原油)所吸收利用。

1.3.2 換熱系數(shù)

測試的換熱器為螺旋板式換熱器。由于螺旋板式換熱器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其具有高傳熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。但是，從表1的測試結(jié)果來看，傳熱系數(shù)最大值不超過600 W/(m2·℃)，相對來說偏小。由于螺旋板式換熱器中每種流體均為單通道，且有離心力作用，湍流程度高，因此還具有不易結(jié)垢和堵塞的優(yōu)點(diǎn)。因此，其換熱系數(shù)受工況影響較大，特別是流速的影響。測試中高溫、低溫側(cè)的流體速度均低于0.5m/s，使得換熱器中流場特性偏離額定工況較遠(yuǎn)，這是導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱系數(shù)偏底的主要原因。

1.3.3 換熱能力利用情況

傳熱效率指實際傳熱量與最大理論傳熱量之比值，它表征換熱器換熱能力的利用情況。傳熱效率越高，表明換熱器換熱能力的利用率高，反之，則表明換熱器換熱能力的利用率低。從表1的測試結(jié)果可見，所測試的換熱器的換熱能力利用不足（除坨六站傳熱效率為73.33%外，其他換熱器傳熱效率均低于40%）。從傳熱效率的計算式可見，傳熱效率主要由原油進(jìn)出口溫差（t2－t1）及高溫?zé)崴ɑ蛘羝囟扰c原油進(jìn)口溫度之差（T1－t1）所確定。由于目前所供熱水溫度多為100℃以上，原油進(jìn)口溫度多為50℃左右，而由于在聯(lián)合站原油處理工藝過程所需要加熱的溫度一般多為60～70℃左右，因此，使得換熱器的傳熱效率偏低，即換熱能力沒能充分利用。此外，從對數(shù)平均換熱溫差均大于15℃情況，亦可看到換熱器尚有較大的潛力可利用。但從表1中的傳熱單元數(shù)計算結(jié)果來看，除了孤二聯(lián)的換熱器傳熱單元數(shù)為4.62外，其它值均大于5，說明對于聯(lián)合站目前的換熱工藝流程，提高傳熱效率的作用已不大。

2 換熱器熱經(jīng)濟(jì)性評價[2]

2.1 換熱器本身的一般技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的評價指標(biāo)

2.1.1 傳熱經(jīng)濟(jì)因數(shù)

式中h─每1℃溫差下，每元投資的年傳熱量，kJ/（元·a·℃）；

N─年運(yùn)行小時數(shù)（一般運(yùn)行時間為7 200h），h/a；

K─總傳熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）；

I─單位換熱面積的投資（包括運(yùn)輸、安裝、保溫費(fèi)用），元/m2。

2.1.2 功耗因數(shù)

式中L─每1℃溫差，每傳遞單位熱量的流動功，

kW/（kJ·℃）；V─流量，m3/h；ΔP─壓降，MPa；F─傳熱面積，m2。

2.2 換熱器在經(jīng)濟(jì)壽命年限內(nèi)傳遞單位熱量的平均費(fèi)用

式中c─換熱器在經(jīng)濟(jì)壽命年限內(nèi)傳遞單位熱量的平均費(fèi)用，元/MJ；

Cf─流動火用單價，元/MJ；

Op─其它操作費(fèi)用（包括清洗費(fèi)、大修折舊費(fèi)、維修費(fèi)及工資管理費(fèi)等的總和占一次投資的比率），%；

β0─換熱器基本折舊費(fèi)，%。

式中m─換熱器的經(jīng)濟(jì)壽命，a；

n─一次投資年利率（按4.6%計），%；

r─達(dá)到經(jīng)濟(jì)壽命年限后，換熱器殘值占原值分?jǐn)?shù)。

2.3 換熱器回收熱量的經(jīng)濟(jì)效益

式中b─換熱器回收熱量的經(jīng)濟(jì)效益，元/MJ；

v″─換熱器回收熱量所代替加熱爐耗能（原油）的價值，元/MJ；

v′─社區(qū)鍋爐（耗煤）供給熱的價值，元/MJ。

其中T0─環(huán)境溫度（一般為15℃），℃；

Tm″─換熱器低溫側(cè)平均換熱溫度，℃；

Tm′─換熱器高溫側(cè)平均換熱溫度，℃；

Cl″─原油燃料火用單價，元/MJ；

Cl′─煤燃料火用單價，元/MJ；

ηex″─加熱爐火用效率（取ηex″=30%），%；

ηex′─社區(qū)鍋爐火用效率（取ηex′=35%），%。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益評價

2.4.1 投資利潤率

式中φ─投資利潤率，元/（元·a）。

2.4.2 投資回收年限

式中τ─投資回收年限，a。

2.5 換熱器檢測數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)（表2、表3）

2.6 計算結(jié)果（表4）

2.7 換熱器經(jīng)濟(jì)性評價結(jié)果分析

（1）表4中，坨六站3#換熱器的傳熱經(jīng)濟(jì)因素最高，為33.57MJ/（元·a·℃），其它均低于30MJ/（元·a·℃），這是由于坨六站3#換熱器的傳熱系數(shù)最高，為，其它換熱器均低于此值。

（2）表4中，所測換熱器的功耗因素均很小，最高只有0.008 2kW/(kJ·℃)，如果適當(dāng)增加功耗因素即增大壓降，可使傳熱系數(shù)和傳熱經(jīng)濟(jì)因素有較大增加，總的經(jīng)濟(jì)效益將提高。

（3）坨一站1#換熱器的平均費(fèi)用最低，只有0.223元/GJ，主要是由于該換熱器的對數(shù)平均換熱溫差最高，為73.6℃，因此，要降低平均費(fèi)用，可從提高對數(shù)平均換熱溫差著手。

（4）坨六站3#換熱器的經(jīng)濟(jì)效益最好，為17.19元/GJ，這是由于該換熱器輸出的熱量溫位最高，為75.5℃。可見，換熱器高溫側(cè)、低溫側(cè)的平均換熱溫度是影響經(jīng)濟(jì)效益的主要因素。從表4中還可看出，平均費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于經(jīng)濟(jì)效益，這是由于傳熱溫差大，原油燃料火用單價遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤燃料火用單價，亦原油燃料價格越高，聯(lián)合站用熱技術(shù)改造項目獲得的經(jīng)濟(jì)效益越大。

表2 換熱器檢測數(shù)據(jù)

表3 換熱器技術(shù)參數(shù)

表4 換熱器經(jīng)濟(jì)性評價計算結(jié)果

（5）所有換熱器的投資利潤率大于250%以上，投資回收年限不到半年，說明該項目的技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)可行。

3 結(jié)論

（1）換熱器能量利用情況一般，其表面散熱損失較大，應(yīng)通過改善表面保溫減小散熱損失。

（3）所檢測換熱器的換熱能力利用不足，有待進(jìn)一步提高，此說明單臺換熱器功率偏大，可考慮減少運(yùn)行換熱器數(shù)量，提高單臺換熱器負(fù)荷加以解決。

（4）加熱爐耗用的原油燃料價格越高，聯(lián)合站用熱技術(shù)改造項目獲得的經(jīng)濟(jì)效益越大。

（5）本次熱經(jīng)濟(jì)評價表明該項目的技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)可行。

[1]B.V.卡里卡,RM戴斯蒙德.工程傳熱學(xué)[M].劉吉萱,譯.北京:人民教育出版社,1983.

[2]華賁.從節(jié)能角度評價換熱器[J].石油化工設(shè)備,1985(1):11-18.

[3]韓小良,劉毓驊.換熱器傳熱過程火用分析[C]//第五屆全國熱力學(xué)分析與節(jié)能論文集.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1991:19-24.

Based on the on-site test for the performance of heat exchanger,main property indexes of heat exchangers are calculated,and then the analyses focuse on the energy utilization,and the use of heat-exchange coefficient and heat-exchange capacity.Next,it is pointed out that heat-exchange capacity is not used fully and needs improving further.Through the thermo-economic evaluation of heat exchanger,its main economic indexes are calculated,followed by the analysis of calculating results.The result indicates that the higher the price of crude oil fuel for heater was,the more benefits the heat technology reform project of the combined station could get.At last,it is concluded that the thermoeconomic evaluation reveals that the technology reform of this project is economical and feasible.

oilfield combined station;heat exchanger;performance test;thermo-economic evaluation

2010-07-06▎

鄧壽祿（1967～），男，高級工程師，現(xiàn)從事能源檢測與利用研究。