天然氣綜合門站加熱爐原理與應用

天然氣綜合門站加熱爐原理與應用摘要：我國天然氣用量逐年上升。加熱爐作為一種天然氣場站主要的加熱設備，在天然氣輸送時作用十分重要。為探討目前常用天然氣加熱爐的優(yōu)缺點和選用原則，分析了水套爐、電加熱爐、催化紅外輻射加熱爐和管殼式換熱器的原理及特點；總結了常用天然氣加熱爐的應用與發(fā)展；以水套爐為例，建立模型，對加熱過程中的熱力學參數(shù)進行了計算分析；最后預測多功能、智能化、安全性好、成本更低的天然氣加熱爐將是未來的發(fā)展方向。關鍵詞：天然氣加熱爐水套爐1引言相比傳統(tǒng)能源，天然氣具有多種優(yōu)點，在眾多領域應用廣泛。天然氣場站是天然氣在輸送過程中進行多種工藝處理的場所。由于場站上下游的天然氣壓力需求往往不同，因此在分輸時需要進行降壓處理。氣體介質經(jīng)節(jié)流降壓會產(chǎn)生焦耳-湯姆生效應，使得氣體的輸送溫度急劇下降［1］。當天然氣的輸送溫度接近場站的最低設計溫度時，發(fā)生事故的風險增加。場站天然氣組分中常常含水，溫降可能導致天然氣中的水汽液化甚至形成固態(tài)，對設備造成損傷并影響正常的生產(chǎn)運行［2］。所以當溫降達到一定值時需要在天然氣場站設置加熱裝置。本文總結了常用天然氣場站加熱裝置的結構，分析了工作原理，對比了優(yōu)劣。2加熱爐的功用天然氣場站一般采用加熱爐對天然氣進行升溫處理，用于防止管道內(nèi)的水產(chǎn)生固態(tài)物質，影響正常生產(chǎn)運行。加熱爐利用外部能源作為工作的能量來源。加熱爐選用合理可使天然氣場站保持安全穩(wěn)定和經(jīng)濟高效運行。天然氣場站的加熱爐根據(jù)工作原理分為水套爐、電加熱爐、紅外輻射加熱爐和換熱器等。2.1水套爐水套爐的結構多為臥式，由殼體、盤管和加熱系統(tǒng)組成，加熱系統(tǒng)由煙囪、煙管和火筒等組成。水套爐是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過中間介質傳導給被加熱介質，使其溫度升高的設備［3］。天然氣場站水套爐以天然氣為燃料，天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣通過煙火管將熱量傳導給中間介質（水和乙二醇的混合物），中間介質再對流經(jīng)盤管的天然氣進行加熱。傳統(tǒng)的水套爐換熱效率不高，且結構復雜，運行維護難度大。近年來研究人員在傳統(tǒng)水套爐的基礎上研發(fā)出一種利用相變換熱的新型加熱爐。天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量使殼體中的液態(tài)水沸騰氣化，水蒸氣將熱量傳導給盤管，使流經(jīng)盤管的天然氣溫度升高。水蒸氣在熱傳遞的過程中冷凝，冷凝的液態(tài)水在殼體內(nèi)又被不斷加熱氣化。水在相變過程中發(fā)生的熱量交換使天然氣得到加熱升溫，利用該原理的加熱爐具有更高的加熱效率。圖1水套爐結構簡圖2.2電加熱爐電加熱爐內(nèi)部設有電加熱管，介質進入加熱爐后，在環(huán)形空間內(nèi)流動得到加熱。天然氣電加熱爐主要有殼體、測溫盲管、換熱管和接線腔等組成，天然氣電加熱爐的發(fā)熱組件為熱電纜，安裝于換熱管中。天然氣電加熱爐的殼體為密閉高壓容器，天然氣流經(jīng)電加熱爐時被加熱升溫。在換熱管內(nèi)填充導熱油，熱電纜浸泡在導熱油中。熱電纜通電時，產(chǎn)生的熱量使導熱油溫度升高，導熱油不斷將熱量傳導給換熱管，換熱管使流經(jīng)殼體中的天然氣加熱升溫。2.3天然氣催化紅外輻射加熱爐催化紅外輻射加熱爐催化棉層內(nèi)部安裝電加熱絲，電加熱管通電時，催化棉層溫度升高，當溫度超過一定數(shù)值時，天然氣開始進入催化棉層，與空氣以一定比例混合發(fā)生無焰燃燒反應。天然氣無焰燃燒反應不天然氣催化燃燒分為擴散催化燃燒、預混貧燃催化燃燒和預混輻射催化燃燒。天然氣加熱爐的燃燒類型一般為擴散催化燃燒和預混輻射催化燃燒。燃燒產(chǎn)生的能量大部分轉化為波長3—8微米，具有較高能量的紅外射線對介質進行加熱。發(fā)生熱量交換的冷熱介質中，流經(jīng)管束的稱為管程流體，在殼體內(nèi)流動的稱為殼程流體。一般在殼體內(nèi)部安裝擋板用來提高殼程流體的傳熱效率。擋板能使殼程流體的流速增加，引導流體以固定的路徑橫向流過管束，使流體保持湍流流態(tài)。換熱管一般在管板上規(guī)律分布，換熱管分布越緊密，殼程流體越容易保持湍流流態(tài)，換熱效率越高。3不同天然氣加熱爐的對比天然氣加熱爐的特點不同，應用條件也不同。目前最常用的三種天然氣加熱爐水套爐、電加熱爐和催化式紅外加熱爐的各項技術經(jīng)濟指標不同。水套爐應用范圍較大，但設備本身采購維護成本較高；電加熱爐設備成本較低，但應用范圍較??；催化式紅外加熱爐具有更高的換熱效率，是一種較理想的天然氣加熱裝置。在實際生產(chǎn)中，不同環(huán)境條件和生產(chǎn)條件適用的設備類型不同，天然氣加熱爐的設備選型要充分考慮外部條件對設備各項性能指標的具體要求。4結論天然氣場站加熱爐的設備性能和工作狀態(tài)直接影響正常生產(chǎn)，天然氣加熱爐種類較多，在設備選型時要充分考慮氣質組分、壓力需求、環(huán)境條件和預算投資等，同時需考慮在加熱過程中氣體介質的熱力學變化，不斷調(diào)試出最佳的設備工作參數(shù)。通過對幾種常見天然氣場站加熱爐的分析對比可以預測，一方面，未來天然氣場站必將向更加智能化、安全化方向發(fā)展，功能更多、操作更便捷和安全性更好的新型天然氣加熱爐將取代功能單一、運行維護復雜的傳統(tǒng)加熱爐；另一方面，未來加熱爐將向著生產(chǎn)成本更低、應用環(huán)境更廣。參考文獻田貫三，江億，馬一太，等.焦耳-湯姆遜效應對壓縮天然氣應用影響的分析[C]中國工程熱物理學會工程熱力學與能