高原油田加熱爐的數(shù)值模擬研究

2017-10-14 02:03:58李春保王雄蘭海濤馬金旭劉新宇

長江大學(xué)學(xué)報(自科版) 2017年19期

李春保王雄蘭海濤，馬金旭，劉新宇

(中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅敦煌 736202) (荊州市明德科技有限公司，湖北荊州 434000) (中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅敦煌 736202)

高原油田加熱爐的數(shù)值模擬研究

李春保王雄蘭海濤，馬金旭，劉新宇

(中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅敦煌 736202) (荊州市明德科技有限公司，湖北荊州 434000) (中石油青海油田鉆采工藝研究院，甘肅敦煌 736202)

高原地區(qū)空氣稀薄，對油田使用的燃氣加熱爐燃燒傳熱造成很大影響。通過建立典型燃氣加熱爐燃燒傳熱模型，對不同海拔高度加熱爐燃燒傳熱過程進行數(shù)值模擬，研究海拔對加熱爐性能的影響。同時提出多種高海拔高度條件下加熱爐燃燒調(diào)節(jié)方案，并進行了加熱爐燃燒傳熱模擬研究。計算出不同海拔高度下加熱爐運行參數(shù)變化趨勢，制定出不同調(diào)節(jié)方法，對于不同的生產(chǎn)要求設(shè)計出相應(yīng)的加熱爐運行模式，解決了高原油田燃氣加熱爐科學(xué)調(diào)度問題，為高原油田加熱爐的優(yōu)化運行提供了理論基礎(chǔ)。

燃氣加熱爐；高原油田；數(shù)值模擬

相比于零海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)的環(huán)境壓力和氣溫都有明顯變化，進而改變參與加熱爐內(nèi)流動和反應(yīng)傳熱過程的工質(zhì)物性，從而影響反應(yīng)傳熱過程。以油田典型的燃氣加熱爐為研究對象，針對不同海拔高度對油田加熱爐效率及爐內(nèi)反應(yīng)傳熱過程的影響，根據(jù)加熱爐的結(jié)構(gòu)特點，建立了相應(yīng)的燃燒反應(yīng)和傳熱模型，對不同海拔高度條件下的反應(yīng)傳熱過程進行了數(shù)值模擬，提出了不同海拔高度下加熱爐性能優(yōu)化調(diào)整方案。

1 模型的建立

燃氣加熱爐爐內(nèi)反應(yīng)傳熱過程如圖1所示。燃料天然氣和空氣以一定速度進入火管進行燃燒，天然氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為煙氣熱能。燃燒過程中，火焰通過輻射傳熱給火管壁面，同時煙氣通過對流換熱傳熱給火管壁面，之后煙氣流出火管，流出的煙氣形成排煙損失。熱量在火管壁面通過熱傳導(dǎo)從火管內(nèi)壁面?zhèn)鞯酵獗诿??；鸸芎吞坠軆?nèi)的水之間進行自然對流換熱將熱量傳給水。水通過自然對流換熱傳熱給盤管，熱量在盤管壁面通過熱傳導(dǎo)由盤管外壁面?zhèn)鞯絻?nèi)壁面。在盤管內(nèi)，熱量通過對流換熱由壁面?zhèn)鳠峤o被加熱介質(zhì)(油、水)。低溫被加熱介質(zhì)由入口進入盤管，在管內(nèi)吸收熱量變?yōu)楦邷亟橘|(zhì)由出口流出，完成整體加熱過程。此外，套管中的水將熱量傳給套管，熱量在套管壁面通過熱傳導(dǎo)由套管內(nèi)壁面?zhèn)鞯酵獗诿?。在套管外，環(huán)境空氣和套管進行自然對流換熱，這部分熱量形成散熱損失。

2 計算條件

以HJ2500-YS/2.5-Q型套管燃氣加熱爐設(shè)計參數(shù)為零海拔時運行條件，假設(shè)燃料氣為純甲烷，加熱爐完全燃燒，被加熱工質(zhì)為含油30%的油水混合物，計算燃氣加熱爐在不同海拔高度下運行數(shù)據(jù)。計算中所需的主要工況參數(shù)列于表1中，相關(guān)物性參數(shù)取自石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和文獻[4, 5]。

表1 主要模擬參數(shù)

在計算不同海拔工況時，燃料氣進氣密度、黏度和水的潛熱按不同海拔進行調(diào)整。海拔升高，氣壓降低，氣體密度降低，風(fēng)速增大。風(fēng)速的變化會使得燃燒器和風(fēng)機性能偏離設(shè)計工況，從而產(chǎn)生額外能耗。因此設(shè)計了2種高海拔下的工況調(diào)節(jié)方案。

2.1維持燃燒器性能穩(wěn)定

為了維持燃燒器的性能，不同海拔高度應(yīng)調(diào)整燃料氣流量，使燃料氣工況流量與1個大氣壓時相同，進入加熱爐的燃料氣和空氣體積之和在海拔高度變化時保持穩(wěn)定。

由理想氣體方程推導(dǎo)出燃料氣工況流量計算公式：

(1)

式中：V1為當(dāng)前燃料氣工況流量，m3/h；V1atm為0海拔時燃料氣流量，m3/h；p為當(dāng)前海拔下大氣壓力，kPa；p1atm為0海拔時大氣壓力，kPa。

2.2維持風(fēng)機性能穩(wěn)定

為了維持風(fēng)機性能，不同海拔高度應(yīng)調(diào)整進氣量，使風(fēng)機總壓頭與1個大氣壓時相同，進氣量決定燃料氣流量。伯努利方程推導(dǎo)出進氣氣速：

(2)

(3)

式中：u2為當(dāng)前燃料氣工況氣速，m/h；u1atm為0海拔時燃料氣工況氣速，m/h；V2為當(dāng)前燃料氣工況流量，m3/h；V1atm為0海拔時燃料氣流量，m3/h。

3 結(jié)果與分析

3.1加熱爐設(shè)計條件下的計算

圖2為設(shè)計工況下熱效率和熱損失率隨海拔高度的變化。由圖2(a)可見，隨海拔高度升高，加熱爐的熱效率是單調(diào)降低的。而總體熱損失由散熱損失和排煙損失組成，由圖2(b)可見，這2種熱損失趨勢是不同的。散熱損失是單調(diào)遞增的，而排煙損失在海拔0～3000m是單調(diào)增加，在3000m以上已趨于平緩，甚至有降低的趨勢。排煙損失一直明顯高于散熱損失。

圖2 設(shè)計工況下加熱爐計算結(jié)果

3.2維持燃燒器性能穩(wěn)定時的計算

圖3為維持燃燒器性能穩(wěn)定時熱效率和熱損失率隨海拔高度的變化。由圖3(a)可見，與設(shè)計工況不同，基于維持燃燒器性能，隨海拔高度升高，加熱爐的熱效率是單調(diào)上升的，這說明總體熱損失率在單調(diào)降低。由圖3(b)可見，散熱損失隨海拔單調(diào)遞增的，而排煙損失則隨海拔單調(diào)降低。在3000m海拔以下，排煙損失均大于散熱損失，而在3000m海拔以上，散熱損失已超過排煙損失，成為主要熱損失。顯然排煙損失隨海拔降低是熱效率隨海拔升高的主要影響因素。

圖3 維持燃燒器性能穩(wěn)定時加熱爐計算結(jié)果

3.3維持風(fēng)機性能穩(wěn)定時的計算

圖4為維持風(fēng)機性能穩(wěn)定時熱效率和熱損失率隨海拔高度的變化。由圖4(a)可見，基于維持風(fēng)機性能，加熱爐的熱效率先是在海拔1000m時微微降低，繼而隨海拔單調(diào)上升，這說明總體熱損失率先(0～1000m時)升高后單調(diào)降低。由圖4(b)可見，散熱損失隨海拔單調(diào)遞增的，排煙損失隨海拔單調(diào)降低，顯然在海拔1000m時，散熱損失的增加要大于排煙損失的降低；而在海拔1000m以上散熱損失的增加均小于排煙損失的降低。圖中顯示排煙損失均大于散熱損失，但延續(xù)這一趨勢，在海拔4000m以上，排煙損失很可能降到散熱損失以下。很顯然，這里排煙損失隨海拔降低也是海拔1000m以上熱效率隨海拔升高的主要影響因素。

圖4 維持風(fēng)機性能穩(wěn)定時加熱爐計算結(jié)果

圖5 3種條件下熱負荷計算結(jié)果對比

上述結(jié)果表明，不管是基于維持燃燒器性能進行調(diào)節(jié)還是基于維持風(fēng)機的性能進行調(diào)節(jié)，海拔升高時，熱效率相對設(shè)計工況均能得到改善，甚至提高。這2種調(diào)節(jié)方式的一個共同點是均降低了燃料進料量。圖5對比了上述設(shè)計工況和2種調(diào)節(jié)方案下，加熱爐熱負荷隨海拔高度的變化?？梢?海拔以上，設(shè)計工況的熱負荷>維持風(fēng)機性能的熱負荷>維持燃燒器性能的熱負荷。設(shè)計條件下，熱負荷基本保持不變，而在2種調(diào)節(jié)方案下，熱負荷均隨海拔上升而降低，這是因為隨海拔升高，2種方案的燃料進料量均隨海拔降低所致。而熱負荷的降低會使得原油的處理量降低，從而達不到預(yù)期的原油加熱要求。因此海拔升高，在進行工況調(diào)節(jié)時，除關(guān)注加熱爐總體熱效率外，還應(yīng)考慮對熱負荷的影響。在滿足熱負荷要求的前提下，對加熱爐的操作工況進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最優(yōu)的熱效率。