天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器設計及應用研究

王海坡

（天津城建大學，天津 300384）

1 我國天然氣管道加熱技術發展現狀

我國天然氣管道加熱除了使用浸沒燃燒換熱器之外，還可以使用鍋爐水浴加熱、輻射加熱、電磁加熱等方法，每種天然氣管道加熱都有其各自的優缺點，但是總體來說浸沒燃燒轉換器在技術方面更加先進一些。鍋爐水浴加熱技術直接將鍋爐裝置和水浴裝置進行分離，再通過鍋爐房對天然氣管道進行加熱，這種加熱技術比較簡單所以應用范圍比較廣。但是鍋爐水浴加熱技術需要額外布置鍋爐廠房，因此占地面積比較大是該技術的缺點。輻射加熱利用輻射本身的特性，可以直接對低溫天然氣管道進行加熱，但是該技術對設備和廠房都具有較高的要求［1］。而電磁感應加熱技術主要用于解凍調壓器，因為該技術的耗電非常大而且加熱能力有所不足，所以一般在調壓器出現凍堵問題之后才會采用該技術。浸沒燃燒換熱器加熱使用LNG氣化工藝，不需要額外建造廠房就可以保持對天然氣管道的高效加熱，而且該加熱技術的排放物污染比較低，因此浸沒燃燒換熱器加熱技術具有領先優勢適合大范圍推廣。

2 天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器工作原理

天然氣管道加熱時，天然氣管道從水浴箱體中通過，水浴箱體包括燃燒室、煙管、鼓泡孔、浸沒燃燒換熱器、煙氣排放口等裝置，而風機存在與水浴箱體外。風機將燃氣和空氣混合通入浸沒燃燒換熱器裝置中的燃燒室，然后燃燒室通過煙管將高溫煙氣從鼓泡孔排出，浸沒燃燒換熱器將高溫煙氣攜帶的熱量傳遞到水浴箱體的水中，最后天然氣管道被水浴加熱，而煙氣直接從上方管道排出，這樣浸沒燃燒換熱器即可利用高溫煙氣完成對天然氣管道的加熱［2］。

3 天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器設計

3.1 浸沒燃燒換熱器參數設計

天燃氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器主要設計功率、工作壓力、天然氣流量、水浴溫度、天然氣進出口問題等參數。而本文設計的浸沒燃燒換熱器功率為200kW、工作壓力為Mpa，天然氣管道每小時通過量為4000m3，水浴箱體中水體溫度為60℃，假設天然氣進出口溫度分別為0℃和10℃。

3.2 浸沒燃燒換熱器結構設計

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器分別由匯管、蛇形換熱盤管、天然氣進出口等裝置組成。浸沒燃燒換熱器過去采用單根螺旋結構，但是這種結構下管外對流換熱效果不夠好，而且無法降低煙氣與水體接觸過程中產生的擾動，因此本文在設計浸沒燃燒換熱器結構時選用多根蛇形換熱盤管結構代替傳統的單管螺旋結構，這樣浸沒燃燒換熱器的換熱效果得到提高，而且可以降低水體的擾動情況。天然氣從匯管入口進入、從匯管出口流出，經過蛇形換熱盤管即可將天然氣的溫度增加至設計參數指標。

3.3 浸沒燃燒換熱器設計中的計算

3.3.1 管外對流傳熱

高溫氣體加熱的效果遠不如水浴加熱的效果明顯，所以天然氣管道加熱并不會直接采用高溫煙氣對浸沒燃燒換熱器加熱，而將高溫煙氣的熱量傳遞給水體，再由水體完成對浸沒燃燒換熱器的加熱應用的就是管外對流加熱的原理。管道對流加熱的換熱量＝管外對流換熱系數×（管外水箱水浴溫度－蛇形換熱盤管外表面平均溫度） ×蛇形換熱盤管外表面面積，其中管外對流換熱系數＝努塞爾數×蛇形換熱盤外外徑／水導熱率。而努塞爾數＝0.4×管外流體雷諾數0.6×管外流體0.36×（管外流體普朗特數／管外管壁流體普朗特數）0.25，其中雷諾數可以用于水箱中水體沖刷蛇形換熱盤管的流速進行計算，這樣即可計算出管外對流傳熱的換熱量。

3.3.2 管壁導熱

蛇形換熱盤管在水浴加熱過程中會完成對天然氣的加熱，其中天然氣加熱使用的是蛇形換熱盤管內表面的熱量，而水浴熱量直接傳遞到蛇形換熱盤管的外表面。因此蛇形換熱盤管的管壁導熱量＝（蛇形換熱盤管外表面平均溫度－蛇形換熱盤管內表面平均溫度）／［1／（2π×水導熱率×蛇形換熱盤管的長度）×ln（蛇形換熱盤管外徑／蛇形換熱盤管內徑）］。

3.3.3 管內對流傳熱

蛇形換熱盤管內表面對天然氣加熱時，換熱量的多少與天然氣的流速具有直接關系，流速越快則加熱的效果越不明顯。加熱過程中換熱量＝管內對流換熱系數×（蛇形換熱盤管內表面平均溫度－蛇形換熱盤管內天然氣平均溫度） ×蛇形換熱盤管內表面積總和，其中管內對流換熱系數＝0.023×管外流體雷諾數0.8×管外流體普朗特數0.4。而蛇形換熱盤管內部彎曲管段會對管內對流傳熱效果造成一定的影響，所以管內加熱換熱量最終結果還需要與管道彎曲修正系數的值相乘，而管道彎曲修正系數＝1＋1.77×蛇形換熱盤管外徑／管道彎曲半徑。

3.3.4 綜合傳熱系數

如果天然氣管道加熱過程中不考慮污垢熱阻產生的影響，則可以得到浸沒燃燒換熱器的綜合傳熱系統設計值＝1／［1／（管外對流換熱系數×π×蛇形換熱盤管外徑） ＋1／（2π×水導熱率） ×ln（蛇形換熱盤管外徑／蛇形換熱盤管內徑） ＋1／（管內對流換熱系數×π×蛇形換熱盤管內徑）］。但是考慮到天然氣實際進出口溫度、天然氣流速、水箱水體溫度等參數可以直接測量，因此綜合傳熱系數的實際結果＝蛇形換熱盤管內部天然氣質量流量×天然氣進出口焓差／［蛇形換熱盤管外表面面積×（管外水箱水浴溫度－管內天然氣平均溫度）］。

3.4 浸沒燃燒換熱器設計計算結果

由于浸沒燃燒換熱器裝置內部結構比較緊湊，水箱中水浴溫度基本保持一致，因此需要對浸沒燃燒換熱器蛇形換熱盤管內天然氣實際換熱量和水側管外的換熱量結果進行計算，如何二者結果相近則計算結果符合設計要求。本文對浸沒燃燒換熱器進行設計計算之后，得到各項參數結果如下：管內對流換熱系數＝4968.72W· （m2·K）－1；天然氣側污垢熱阻＝0.002W· （m2· K）－1；管 外 對 流 換 熱 系 數 ＝19393.70W· （m2·K）－1；水側污垢熱阻＝0.0004W· （m2·K）－1；綜合傳熱系數＝1095.70W· （m2·K）－1；彎管平均修正系數＝1.30；管壁導熱熱阻＝639.59W· （m2·K）－1；實際面積＝3.93m2；傳熱安全系數＝1.20；彎管排數修正系數＝0.95.

4 天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器應用

4.1 浸沒燃燒換熱器裝置

4.1.1 燃燒系統

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器燃燒系統主要將高溫煙氣中的熱量傳遞到水箱水體中，高溫煙氣由燃氣和空氣混合氣體燃燒產生。如果風機在通入燃氣之前采用預混合技術先將空氣和燃氣混到一起，然后保證混合燃氣在零下情況下通入燃燒器，則可以保證燃氣充分燃燒，最后產生的高溫煙氣將熱量傳遞到水體之后不會對環境產生太大污染，預混燃氣技術可以保證燃燒系統的空燃比不受其他因素影響。

4.1.2 換熱系統

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器換熱系統主要將高溫煙氣熱量換成水熱量、水熱量換成天然氣熱量。其中高溫煙氣熱量可以通過鼓泡孔直接轉換成水熱量，而不用先經過傳輸再進行轉換，換熱過程越直接則損失的熱量越少。鍋爐水浴加熱在換熱過程中損失了大量熱量，而高溫煙氣的換熱效率可以達到90%以上。而水熱量轉換成天然氣熱量主要通過蛇形彎管，彎管與水體的接觸面積越大傳熱效果就越好，所以蛇形彎曲盤管取代了螺旋單管。

4.1.3 控制系統

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器控制系統主要對換熱器、水箱水體液位、水箱水體溫度、水箱水體pH值、煙氣排放濃度等因素進行監控。為了提高控制系統的效果，可以通過自動化技術設置各個因素的臨界點，當浸沒燃燒換熱器各個因素的參數超過臨界值時，直接在自動化技術下進行調控，同時向后臺操作人員發出警報，以防浸沒燃燒換熱器在加熱天然氣過程中出現安全問題。控制系統應該設置各種傳感器用來監控溫度、濃度、pH值等參數，同時設置智能化控制開關，為了安全起見控制系統最好獨立接入電源，防止電力系統影響浸沒燃燒換熱器的安全運行。

4.2 浸沒燃燒換熱器應用效果

4.2.1 熱工性能

該供暖站使用功率200kW 的浸沒燃燒換熱器持續工作4天，高壓管道天然氣實際通過流量為1.424×104m3／h，滿足4000m3／h的設計要求，最終該浸沒燃燒換熱器保持在100kW 的功率穩定運行，天然氣實際溫度從0℃上升到11.5℃，該裝置加熱效率符合要求。

4.2.2 安全可靠

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器通過報警裝置保護了工作人員和天然氣加熱系統的安全。當實際工作環境中某個設備參數超出臨界范圍或者設計范圍之后，報警裝置會立即切斷浸沒燃燒換熱器的正常運行，同時發出聲光報警信號。

4.2.3 排放性能

天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器裝置燃燒室性能良好，經過預混合技術之后空氣和燃氣比例達到1.8，高溫煙氣排放產物中氮氧化合物的濃度在8mg／m3左右，遠小于遼寧地區150mg／m3的要求，設置要求最高的北京、鄭州、西安等地區的30mg／m3要求也可以得到滿足。

5 結語

綜上所述，天然氣管道加熱用浸沒燃燒換熱器技術具有成本低、污染小、占地小、維護容易、加熱效率高等優點，因此該技術具有廣泛應用前景。供暖站有必要使用該技術取代傳統的鍋爐水浴加熱技術，減少天然氣加熱的成本，提高供暖實際收益，防止調壓器出現凍堵問題影響正常供暖工作。