氣田用水套爐設(shè)計(jì)研究畢業(yè)論文

西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）氣田用水套爐設(shè)計(jì)研究第1章緒論1.1研究背景及意義自油田地面工程發(fā)展以來，水套爐以其可靠的安全性能，在油田地面工程中獲得廣泛的應(yīng)用，特別是在中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站內(nèi)逐漸替代直接火筒加熱爐、管式加熱爐。水套爐的工作原理為：由爐體底部的加熱裝置加熱爐體內(nèi)的中間介質(zhì)水，中間介質(zhì)水吸收熱量，爐套內(nèi)的水再講熱量與盤管內(nèi)的氣體進(jìn)行交換，由此來達(dá)到加熱天然氣的目的。此種方法安全可靠。目前國內(nèi)的水套爐的加熱裝置都是燃燒器將燃料霧化噴入火筒中燃燒，煙氣通過煙管與爐體中的中間介質(zhì)水進(jìn)行換熱。但對于出產(chǎn)氣質(zhì)量偏低的油氣田來說不能直接使用井內(nèi)出產(chǎn)的天然氣作為燃料氣，必須使用燃料專線的天然氣供給燃料。并且此種水套爐的操作人必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，水套爐在工作過程中必須有專人值守。難以實(shí)現(xiàn)自動化及遠(yuǎn)程控制。目前，我國加熱爐所用燃料主要是管道原油。使用該種燃料油以下的缺點(diǎn)：原油粘度大，霧化能耗大；價格高昂；需要高品位原油，浪費(fèi)戰(zhàn)略物資。由于以上原因，不妨將傳統(tǒng)的使用管道原油的加熱裝置改為電加熱裝置，電路的鋪設(shè)相對于原油或燃?xì)夤艿赖匿佋O(shè)較為簡單。若將傳統(tǒng)水套爐的加熱裝置改良為電加熱裝置，易于實(shí)現(xiàn)自動化及其遠(yuǎn)程控制，并且可以大幅度簡化水套爐的結(jié)構(gòu)。同時采用高性能保溫材料，使散熱損失降低到較小的程度，相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，加熱爐的設(shè)計(jì)效率可以高達(dá)95%。采用電加熱與采用燃?xì)饧訜嵯啾?，降低易燃易爆介質(zhì)，電加熱對設(shè)備的使用更加安全，同時電加熱器尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，國內(nèi)制造水平成熟。同時，本次設(shè)計(jì)同樣著重提高設(shè)備的緊湊型，高效性和可靠性。具體采取的措施有：采取小管徑盤管、增大吸熱面積、采用高效耐熱的保溫材料、提高加熱爐體積熱強(qiáng)度、選用自動化水平高的加熱器。1.2本文的主要研究內(nèi)容本論文的研究內(nèi)容主要就是針對給定的具體的天然氣加熱需求及工藝，在學(xué)習(xí)、調(diào)研國內(nèi)外傳統(tǒng)水套加熱爐的結(jié)構(gòu)、性能、優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用傳熱學(xué)相關(guān)理論、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、工程制圖等理論工具計(jì)算、設(shè)計(jì)、校核、布置、設(shè)計(jì)出一臺高效水套加熱爐，并繪制其裝配圖。首先學(xué)習(xí)了解水套爐的結(jié)構(gòu)、原理、類型及優(yōu)缺點(diǎn)，接著結(jié)合前人的研究成果分析影響水套爐性能的可能因素并針對這些因素提出對應(yīng)的改良方案和建議。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先從水套爐的被加熱介質(zhì)處理量及輸入輸出溫度等基本參數(shù)入手計(jì)算水套爐的熱負(fù)荷并選擇對應(yīng)功率的電加熱器，然后根據(jù)熱負(fù)荷求出盤管的傳熱面積，由被加熱介質(zhì)的流量、流速、壓力計(jì)算選擇盤管的尺寸與形式；再由電加熱器和盤管的尺寸結(jié)合水套爐設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算、選擇水套爐筒體、封頭等主要零部件的尺寸，然后再按需求設(shè)計(jì)、選擇用于水套爐安放、監(jiān)測、泄壓等功能的附件或接口；接下來選取水套爐的重要零件進(jìn)行校核；最后將選取設(shè)計(jì)好的零件繪制成電加熱水套爐的零件圖和裝配圖。第2章油氣田水套爐技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀2.1水套爐的基本結(jié)構(gòu)形式水套爐的基本結(jié)構(gòu)主要包括筒體、加熱盤管、火筒、煙管、煙囪、燃燒器及其其他附件?；鹜矡煿芤话悴贾迷谒谞t的中下部空間，火筒部分以輻射換熱為主，煙管以對流換熱為主，加熱盤管一般不知在爐體的上部空間，盤管一般采用蛇形管，為了在有限的空間增加盤管換熱表面積，盤管直徑一般不大于DN100，燃燒器和煙囪一般布置在爐體前部。本研究中將傳統(tǒng)水套爐的火筒取消，將火筒燃燒器部分改裝為電加熱裝置，使其結(jié)構(gòu)變得簡單，通過集成電路控制各個部件易于實(shí)現(xiàn)自動化控制，無人值守。水套爐結(jié)構(gòu)如圖2.1所示圖2.11、壓力表2、調(diào)風(fēng)阻火器3、燃燒器4、支架5、煙氣出口管6、煙火管7、排污口8、法蘭9、填料壓蓋10、法蘭蓋11、支撐板12、水箱13、水位計(jì)14、筒體15、氣盤管16、溫度計(jì)管嘴17、煙囪18、煙筒改為電加熱器后水套爐的結(jié)構(gòu)大大簡化了，電加熱器水套爐示意圖如圖2.2所示。圖2.21、電加熱器2、法蘭蓋3、筒體4、吊耳5、放空口6、安全閥7、節(jié)水器8、加熱盤管9、盤管支架10、管板11、盤根盒12、天然氣進(jìn)出口13、法蘭蓋二14、排污口15、鞍式支座16、加熱器支座2.2水套爐主要技術(shù)進(jìn)展2.2.1三維內(nèi)肋管強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用在水套爐的煙氣受熱面中，對流受熱面積占到60%-70%，如何提高對流段的換熱系數(shù)，減少對流受熱面的面積是水套爐優(yōu)化面臨的基本問題。近年來，有采用螺紋管作為小煙管，換熱系數(shù)能夠達(dá)到光管的1.5倍，三維內(nèi)肋管是一種新式高效的傳熱元件，近年逐漸成為研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，目前，三維內(nèi)肋管的熱力、阻力計(jì)算依賴于實(shí)驗(yàn)資料。研究表明，煙氣與三維內(nèi)肋管的換熱系數(shù)可以達(dá)到光管的3.2倍，三維內(nèi)肋管的范寧摩擦因子則是光管的4.6倍。因此，應(yīng)用三維內(nèi)肋管作為水套爐煙管，可以有效的提高水套爐的效率，減小水套爐的煙管長度，有利于降低水套爐的金屬消耗。2.2.2微正壓燃燒通風(fēng)技術(shù)傳統(tǒng)水套爐一般采用自然通風(fēng)負(fù)壓燃燒，燃燒過剩空氣系數(shù)和燃燒自動控制較困難，影響加熱爐效率。國內(nèi)外新型水套爐一般采用強(qiáng)制通風(fēng)的微正壓燃燒方式，從而強(qiáng)化燃燒，提高火筒容積熱強(qiáng)度，使燃燒過?？諝庀禂?shù)可以在1.2（燃油），1.1（燃?xì)猓┳笥?，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著提高。2.3水套爐的主要發(fā)展方向2.3.1相變傳熱技術(shù)高效的相變熱傳導(dǎo)技術(shù)，相變熱傳導(dǎo)將水加熱至沸騰，水蒸發(fā)后以水蒸氣作為傳熱介質(zhì)，換熱效率高，水損失小，密閉爐體內(nèi)不容易結(jié)垢，熱傳導(dǎo)系數(shù)穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠。2.3.2燃燒器研究高效燃燒器的研究，重點(diǎn)發(fā)展轉(zhuǎn)杯霧化和內(nèi)部混合霧化，外部混合霧化技術(shù)。這些霧化技術(shù)霧化效果好，燃燒充分。并且能夠適應(yīng)各種輕油、重油和天然氣燃料。2.3.3自動化控制與監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用自動化是流程設(shè)備的發(fā)展方向，加熱爐也不例外。自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動供空氣、自動點(diǎn)火、燃燒、自動啟動和停機(jī)可以使燃料利用率高達(dá)99.5%，加熱爐效率高達(dá)88%。應(yīng)用監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)熄火保護(hù)、低水位保護(hù)、超溫超壓保護(hù)等，保證設(shè)備安全運(yùn)行，自動化與監(jiān)測技術(shù)將趨于遠(yuǎn)程化，既能保證設(shè)備安全運(yùn)行，又能提高設(shè)備的管理水平。2.4電加熱水套爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的提出及優(yōu)勢天然氣水合物結(jié)冰造成管線冰堵，使下游壓力降低，影響正常集輸過程，我們采用加熱水套爐對出井天燃?xì)膺M(jìn)行加熱，可以避免冰堵，減少對抑制劑的依賴，大大的降低開采成本，減少開采對環(huán)境影響。傳統(tǒng)水套爐使用燃料在火筒內(nèi)燃燒加熱中間介質(zhì)，中間介質(zhì)加熱生產(chǎn)介質(zhì)，電加熱不需要使用專供的燃料，減少了燃料管道的鋪設(shè)，減少工作成本。并且電加熱的引入，減少了易燃易爆物質(zhì)，使其安全性大大提高。2.4.1采用電加熱器特點(diǎn)電加熱水套加熱爐橇是采用先進(jìn)的模塊化橇裝工藝技術(shù)將加熱水浴所需的設(shè)備、管道及電儀附件等全部集成到一起其特點(diǎn)如下：裝置折裝移動方便：裝置出廠后只需要將裝置接口與外界對接便可投入生產(chǎn)，無須繁雜的現(xiàn)場安裝；自動化程度高：在正常生產(chǎn)過程中做到無人值守全自動生產(chǎn)，壓力、溫度均可為遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制；溫控準(zhǔn)確可靠：水套爐可以做到1℃恒溫；熱效率高：熱效率可達(dá)到95%以上；結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，現(xiàn)場施工量少。2.4.2結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)（1）采用臥式放置增加設(shè)備軸線尺寸，增加電加熱管發(fā)熱長度，縮小電加熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及數(shù)量。降低成本，同時使控制系統(tǒng)簡單化，臥式放置對于氣盤管的傳熱更均勻，同時使電加熱的熱效率達(dá)到最高。（2）氣盤管采用直管與標(biāo)準(zhǔn)管件組隊(duì)，與相同規(guī)格氣盤管采用螺旋型結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)制造相對容易，能在滿足換熱面積的情況下盡可能縮小設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸。（3）采用電加熱與其采用燃?xì)饧訜嵯啾?，降低易燃易爆介質(zhì)，電加熱對設(shè)備的使用更為安全。同時電加熱器尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，國內(nèi)制造水平成熟。（4）設(shè)備設(shè)置安全裝置，考慮在設(shè)備使用中出現(xiàn)異常情況時，最大程度降低安全風(fēng)險。同時安全裝置考慮設(shè)備安全運(yùn)行操作空間。第3章水套爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)3.1.1天然氣的物理特性參數(shù)本研究中為了簡化研究過程，被加熱的天氣然組分為100%甲烷氣體。查工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊可得：甲烷氣體的定壓比熱容（100℃）：甲烷氣體的動力粘度（0℃）：甲烷氣體的密度（0℃）：3.1.2工藝操作參數(shù)額定熱負(fù)荷：120kW管程介質(zhì)流量：1440m3/h殼程設(shè)計(jì)壓力：0.3MPa管程設(shè)計(jì)壓力：2.0MPa3.2基本參數(shù)的擬定以下材料選取，參數(shù)擬定及計(jì)算方法均參照SY5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范；SY-T5261-91火筒式加熱爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算方法；SY-T+0535-1994火筒式加熱爐熱力與阻力計(jì)算方法。3.2.1平均溫度、對數(shù)平均溫差進(jìn)口溫度出口溫度對數(shù)平均溫差（3.1）查表得水蒸氣飽和溫度（0.1MPa）氣體介質(zhì)或呈層流狀態(tài)平均溫度3.2.2盤管內(nèi)徑為保證盤管擁有足夠大的換熱表面積，所以盤管內(nèi)徑一般不大于DN80所以在本研究中取盤管內(nèi)徑為DN653.2.3傳熱面積=7.9839m2（3.2）式中 ——額定熱效率；kW k——傳熱系數(shù)；W/（m2·℃） ——對數(shù)平均溫差；℃根據(jù)SY-T+0535-1994參考傳熱系數(shù)，參照表3.1表3.1加熱介質(zhì)水蒸氣水被加熱介質(zhì)原油水天然氣0.2MPa以下2-5MPa5-7MPa7MPa以上傳熱系數(shù)100-2001600-4000200-225225-285340-400450-570本研究中管程壓力為2MPa，故預(yù)估傳熱系數(shù)為k=260W/（m2·℃）3.2.4盤管長度、彎頭、壁厚選擇=3.26m（3.3）式中 ——盤管內(nèi)徑；m ——盤管根數(shù)；其中 根據(jù)SYT5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范6.3.3規(guī)定盤管、彎頭選用材料牌號為20的無縫鋼管。直管之間采用標(biāo)準(zhǔn)件彎頭連接。選擇公稱通徑為65mm，180°的彎頭。3.2.5盤管結(jié)構(gòu)、根數(shù)選擇12根盤管，采用菱形錯列布局的方式布置加熱盤管，可以節(jié)省空間，在盡可能小的空間布置更多的盤管，使空間利用最大化。具體結(jié)構(gòu)及三維模型詳見圖盤管整體尺寸圖3.1圖水套爐筒體內(nèi)徑、長度預(yù)選根據(jù)盤管尺寸選取筒體長度，內(nèi)徑，電加熱器的長度內(nèi)徑以及內(nèi)部零部件及其安裝空間。取筒體直徑1480mm長度3910mm3.2.8筒體材料選取、壁厚選擇根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY-T5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范中6.2.1火筒式加熱爐受壓元件用鋼板應(yīng)符合表3.2表3.2序號牌號標(biāo)準(zhǔn)使用溫度（℃）1Q235-BGB/T3274≤3502Q235-CGB/T3274≤4003Q245RGB713≤4504Q345RGB713≤4505Q370RGB713≤400615CrMoRGB713≤500本研究中使用溫度T≤350℃，故選擇Q235-B鋼材作殼體材料根據(jù)SY-T5261-91火筒式加熱受壓元件強(qiáng)度計(jì)算方法，殼體最小有效厚度=2.96mm（3.4）根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性質(zhì)和設(shè)備使用壽命確定腐蝕裕量1mm筒體計(jì)算厚度按下式（3.5）式中 ——筒體直徑；mm——?dú)こ淘O(shè)計(jì)壓力；MPa ——材料許用應(yīng)力；MPa考慮到材料實(shí)際厚度及加工裕量，以確?；鹜彩郊訜釥t各受壓元件的實(shí)際厚度不小于該元件名義厚度減去厚度負(fù)偏差。故取筒體厚度為10mm3.2.9筒體封頭結(jié)構(gòu)選擇及厚度采用平板封頭，采取法蘭密封方式利用法蘭蓋對筒體與封頭結(jié)合處密封。法蘭蓋厚度計(jì)算公式（3.6）式中——筒體直徑；mm——?dú)こ淘O(shè)計(jì)壓力；MPa——材料許用應(yīng)力；MPa考慮腐蝕裕量等因素選取法蘭蓋厚度為30mm電加熱器處封頭具體結(jié)構(gòu)及三維模型見圖3.2天然氣進(jìn)出口處封頭具體結(jié)構(gòu)及三維模型見圖3.3圖3.2圖0筒體有效容積及所需水的體積根據(jù)筒體內(nèi)徑及長度以及內(nèi)部元件所占體積，可估算得：筒體有效容積為16m3所需水的體積為12m3筒體的具體結(jié)構(gòu)及三維模型見圖3.4圖3.43.3各附件、儀表的結(jié)構(gòu)選擇和連接布置3.3.1注水口及水箱的設(shè)計(jì)連接注水口焊接在水箱側(cè)面，水箱通過法蘭連接與爐體上方焊接的法蘭連接在一起。其水箱注水口管口型式為ZG1/2‘’螺紋連接。其機(jī)構(gòu)示意圖及三維模型見圖3.5圖排污口的尺寸設(shè)計(jì)及布置根據(jù)SYT5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范9.1.7規(guī)定，火筒式加熱爐殼體最低處應(yīng)設(shè)排污口，其內(nèi)徑不應(yīng)小于40mm本研究中水套爐的排污口焊接在爐體下方管口內(nèi)徑DN40，管口型式為平面法蘭如圖3.6圖3.63.3.3鞍座、吊耳的尺寸及位置鞍座基本尺寸及鞍座安裝尺寸如圖3.7圖盤管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用如圖3.8所示的支撐板支撐盤管，其支撐板孔的分布與加熱盤管相對應(yīng)，在支撐板底部焊接槽鋼，并且將槽鋼焊接在水套爐內(nèi)部。圖安裝盤管、電加熱器處的封頭設(shè)計(jì)采用法蘭連接，法蘭密封的型式連接。如圖3.9所示。圖安全閥的選取、布置連接根據(jù)SYT5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范9.1.3中規(guī)定火筒式加熱爐至少應(yīng)該設(shè)1個安全閥。安全閥泄放面積應(yīng)按SY0031的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，安全閥的開啟壓力不超過殼體的設(shè)計(jì)壓力。閥門的安裝應(yīng)符合下列規(guī)定：各類閥門均應(yīng)具有合格證，且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；閥門的密封面不應(yīng)有傷痕；閥門安裝使用前應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)合格；閥門安裝應(yīng)符合GB50235的規(guī)定。安全閥的安裝設(shè)置還應(yīng)符合下列規(guī)定：安全閥應(yīng)垂直安裝在加熱爐殼體的最高位置；安全閥喉徑大于20mm；多個安全閥共同裝設(shè)在殼體直接相連的短管上時，則短管的截面積不應(yīng)小于所有安全閥喉徑截面積之和的1.25倍；安全閥安裝前應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的單位進(jìn)行校驗(yàn)；安全閥其他安裝要求應(yīng)符合SY0031的規(guī)定。根據(jù)上述規(guī)定，本研究中采用A41H（Y）彈簧微啟封閉式安全閥，安全閥口直徑DN50，使用法蘭連接的型式與爐體上方焊接的安全閥口連接。3.3.7水位計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置根據(jù)SY5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范9.1.6規(guī)定，有氣相空間的火筒爐和水套爐至少應(yīng)安裝一個液面計(jì)，并且在液面計(jì)安裝時應(yīng)符合以下規(guī)定：液面計(jì)應(yīng)安裝在便于觀察和維護(hù)的位置。液面計(jì)內(nèi)液位應(yīng)清晰，準(zhǔn)確。玻璃管（板）液面計(jì)與殼體之間的接管應(yīng)盡可能短，其內(nèi)徑不小于18mm。將水位計(jì)設(shè)計(jì)為上下兩個接口，下方水位計(jì)接口焊接在水套爐爐體的側(cè)面，上方水位計(jì)接口焊接在水箱側(cè)面，通過法蘭連接的方式將水位計(jì)連接起來。其中間水管可直觀看到當(dāng)前爐體內(nèi)水位情況，能夠有效的防止?fàn)t體內(nèi)水位過低，能夠及時察覺水位過低的情況并且及時補(bǔ)水。水位計(jì)接口設(shè)計(jì)為平面法蘭連接型式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.10所示。圖3.103.3.8天然氣進(jìn)出口閥門的選取、安裝連接天然氣進(jìn)出口閥門采用法蘭連接，法蘭密封的型式。如圖3.11所示。法蘭與接管的組對應(yīng)符合下列要求：法蘭密封面不應(yīng)有傷痕，所有法蘭應(yīng)有材質(zhì)標(biāo)記。法蘭密封面應(yīng)垂直于接管，其允許偏差不應(yīng)超過法蘭外徑的1％，且不應(yīng)大于2mm，法蘭高度H的允許偏差不應(yīng)大于2mm。接管外徑與平焊法蘭內(nèi)徑的間隙不應(yīng)大于2mm，管端與法蘭密封面的距離應(yīng)為管子壁厚加1mm法蘭螺栓孔應(yīng)與殼體主軸中心線跨中布置，特殊情況時應(yīng)在圖樣中注明。平焊法蘭與接管焊接應(yīng)先焊內(nèi)角焊縫后再焊外角焊縫。內(nèi)角焊縫尺寸，外角焊縫，且不應(yīng)大于16mm。殼體上接管的垂直度偏差不應(yīng)大于15mm。圖法蘭式電加熱器的選型本水套爐額定熱功率為120kW，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)1kW發(fā)熱量大約等于0.75kW電功率，考慮到熱量損失，依然選擇電加熱器的熱功率為120kW。該電加熱器的具體參數(shù)為：電熱管的電壓、功率：30V120kW管徑大?。?0mm管身長度：3000mm電熱管的材質(zhì)：SUS304其他：封頭采用法蘭連接，法蘭密封的形式。3.3.10保溫層的選擇選用無機(jī)纖維棉作為爐體的保溫層。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有高絕熱值；吸聲效果好，降噪系數(shù)高出其余材料；牢固性好，能夠長時間使用；防火性好，達(dá)到國際A級防火標(biāo)準(zhǔn)；安全環(huán)保，無有毒氣體和有毒物質(zhì)產(chǎn)生。其部分物理參數(shù)：絕熱系數(shù)：密度：3.3.11水套爐三維模型水套爐的三維模型如圖3.12所示。圖3.123.4水套爐計(jì)算校核3.4.1盤管熱力計(jì)算傳熱系數(shù)（3.7）式中——換熱系數(shù)；W/(m2·℃)——管內(nèi)污垢熱阻；m2·℃/W——管外污垢熱阻；m2·℃/W其中污垢熱阻應(yīng)從條件類似的試驗(yàn)中選取，缺乏數(shù)據(jù)可根據(jù)介質(zhì)、溫度以及流速按表3.3選取表3.3水加熱介質(zhì)的溫度，℃115以下115—200被加熱水的溫度，℃50以下50以上水的流速，m/s1.0以下1.0以上1.0以下1.0以上蒸餾水0.000090.000090.000090.00009自來水或井水0.000170.000170.000350.00035一般河水0.00060.000350.000690.0006鍋爐凈化水0.000170.000090.000170.00017原油溫度，℃0—9394—150流速，m/s0.6以下0.6以上0.6以下0.6以上脫鹽原油0.00050.000350.00050.00035含鹽原油0.000350.000350.000850.0007其他天然氣0.00017渣油0.0009本研究中被加熱介質(zhì)為天然氣，故選取管內(nèi)污垢熱阻ri=ro=0.00017當(dāng)管內(nèi)氣體呈紊流狀態(tài)（Re>10×103；0.6<Pr<1.5）時：（3.8）式中——介質(zhì)在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)；W/(m·℃)——管道內(nèi)徑；mm——介質(zhì)在平均溫度下的雷諾數(shù)；——介質(zhì)在平均溫度下的普朗特數(shù)；——管道長度；m——平均溫度；℃，K——管壁內(nèi)溫度；℃，K其中天然氣在0℃時導(dǎo)熱系數(shù)=0.03W/(m·℃)經(jīng)過修正公式，天然氣在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)（3.9）式中——天然氣在0℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；W/(m·℃)——平均溫度；℃將平均溫度帶入公式可得導(dǎo)熱系數(shù)雷諾數(shù)（3.10）=（3.11）式中 Q——天然氣的體積流量；m3/s ——盤管內(nèi)徑；mm ——平均溫度下介質(zhì)的運(yùn)動粘度；m/s2 ——平均溫度下介質(zhì)的動力粘度；Pa·s ——平均溫度下介質(zhì)的密度；kg/m3在0℃時天然氣的動力粘度Pa·s根據(jù)修正公式，在平均溫度下天然氣的動力粘度（3.12）式中 ——0℃時天然氣的動力粘度；Pa·sT——平均溫度；℃將數(shù)據(jù)代入公式3.12得動力粘度將數(shù)據(jù)代入公式3.11得再代入公式3.10可得普朗特數(shù)（3.13）式中 ——平均溫度下的定壓比熱容；kJ/(kg·K) ——平均溫度下介質(zhì)的動力粘度；Pa·s——介質(zhì)在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)；W/(m·℃)可查表得將數(shù)據(jù)代入公式3.13可得氣體在管道內(nèi)呈紊流狀態(tài)預(yù)估管壁內(nèi)溫度將以上數(shù)據(jù)帶入公式3.80可得（3.14）式中 ——平均溫度；℃ ——管內(nèi)壁對被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)； ——傳熱系數(shù)； ——對數(shù)平均溫差；℃將數(shù)據(jù)代入公式3.14與預(yù)估值接近（3.15）式中 ——管內(nèi)壁對被加熱介質(zhì)的換熱系數(shù)； ——管內(nèi)壁污垢熱阻； ——管外壁污垢熱阻；將數(shù)據(jù)代入公式3.15可得（3.16）式中 k——傳熱系數(shù)； ——換熱面積；m2 ——對數(shù)平均溫差；℃將數(shù)據(jù)代入公式3.16可得：檢查是否滿足其中 ——按傳熱方程計(jì)算的熱功率；W ——額定熱功率；W代入數(shù)據(jù)=0.09符合要求3.4.2盤管承壓強(qiáng)度校核直管計(jì)算： 計(jì)算厚度：(3.17)式中 p——管程設(shè)計(jì)壓力；MPa ——盤管外徑；mm將數(shù)據(jù)代入公式3.17中可得=0.63mm厚度附加量：=2.1mm設(shè)計(jì)厚度：=0.63+2.1=2.73mm名義厚度：故直徑采用的無縫鋼管。彎頭計(jì)算：應(yīng)力增值系數(shù)：（3.18）式中 ——彎頭曲率半徑；mm ——彎頭內(nèi)直徑；mm彎頭規(guī)格如表3.4所示表3.4公稱通徑端部外徑中心至端面尺寸中心至中心尺寸背面至端面尺寸45°彎頭90°彎頭180°彎頭180°彎頭A系列B系列長半徑長半徑短半徑長半徑短半徑長半徑短半徑5060.3573276511521211061006576.1（73）764095641911271321218088.9894711476229152159159100114.310863152121305203210197本研究中選取公稱通徑為DN65的彎頭，根據(jù)表3.4選取180°長半徑彎頭。將數(shù)據(jù)代入公式3.18中可得：計(jì)算厚度：(3.19)式中——應(yīng)力增值系數(shù)；——彎管內(nèi)壓力；Pa ——彎頭外徑；mm——彎頭許用應(yīng)力；MPa將數(shù)據(jù)代入3.19中得：=0.9mm厚度附加量：設(shè)計(jì)厚度：彎頭名義厚度按彎頭有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定，但不得小于3.04mm3.4.3保溫層計(jì)算由于本研究中水套爐的直徑大于1020mm，故根據(jù)GB8175-87設(shè)備及管道保溫設(shè)計(jì)導(dǎo)則中5.1規(guī)定管道或圓筒設(shè)備直徑大于1020mm的可以按平面保溫層厚度計(jì)算。平面保溫層的計(jì)算公式：(3.20)式中——保溫層厚度，mm； ——常數(shù)，按中華人民共和國法定計(jì)量單位計(jì)算，按公制計(jì)量單位計(jì)算； ——熱價，元/（元/）； ——保溫材料制品導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)[kcal/·(m·h·℃)]；——年運(yùn)行時間，h；——設(shè)備和管道的外表面溫度，K（℃）； ——環(huán)境溫度， ——保溫結(jié)構(gòu)單位造價，元/； ——保溫工程投資貸款年分?jǐn)偮剩磸?fù)利計(jì)息：,%;； ——年利率（復(fù)利率），%；n——計(jì)息年數(shù)，年； ——保溫層外表面向大氣的防熱系數(shù)，W/(m·K)[kcal/·(m·h·℃)]；其中T=98℃=25℃在經(jīng)濟(jì)厚度及熱損失計(jì)算中，設(shè)備結(jié)構(gòu)表面放熱系數(shù)一般取11.63W/(m·K)[kcal/·(m·h·℃)]年利率i一般取6%——10%（復(fù)利）計(jì)息年數(shù)一般取5——10年。熱價一般在3.6——6元/（15——25元/）之間。年運(yùn)行時間一般按8000h計(jì)算。將以上數(shù)據(jù)代入公式3.20可得：=20.22mm由于水套爐在室外使用，故需在保溫層外加護(hù)一層保護(hù)層，根據(jù)GB8175-87設(shè)備及管道保溫設(shè)計(jì)導(dǎo)則中7.4.2規(guī)定，采用0.3——0.8mm厚的鍍鋅鋼板，或者防銹鋁板，并且殼的接縫必須搭接。故本研究中采用0.5mm厚的鍍鋅鋼板作為保護(hù)層，并采取適當(dāng)措施進(jìn)行緊固。3.4.3電熱器的計(jì)算加熱功率的計(jì)算按以下三個方面：運(yùn)行時的功率啟動時的功率系統(tǒng)中的熱損失所有的計(jì)算應(yīng)以最惡劣的情況考慮：最低的環(huán)境溫度最短的運(yùn)行周期最高的運(yùn)行溫度加熱介質(zhì)的最大重量（流動介質(zhì)則為最大流量）系統(tǒng)運(yùn)行時所需要的功率：(3.21)式中： ——功率，kW； ——介質(zhì)重量，kg； ——介質(zhì)比熱，kcal/kg℃ ——介質(zhì)和環(huán)境溫度之差或溫升，℃； ——時間，h查工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊得：代入數(shù)據(jù)得：啟動時所需要的功率：加熱2小時，可以達(dá)到加熱天然氣的溫度需要520kW的電加熱器。故選擇500kW的電加熱器，當(dāng)水套爐中水的溫度達(dá)到可通入天然氣時，通過電氣控制，將電加熱器的功率降為50kW即可。3.5各附件的焊接3.5.1焊接要求本研究中需要焊接的部件都應(yīng)該遵循SYT5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。其焊接要求如下：當(dāng)焊接環(huán)境出現(xiàn)下列情況之一時，若無有效防護(hù)措施不應(yīng)焊接手工焊時風(fēng)速大于10m/s；氣體保護(hù)焊時風(fēng)速大于2m/s；相對濕度大于90%；雨雪環(huán)境；焊件溫度低于-20℃。在焊接過程當(dāng)中，環(huán)境溫度為0℃——20℃時，焊件應(yīng)該在開始焊接處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。按照焊接工藝要求需要對碳鋼及低合金鋼進(jìn)行預(yù)熱時，預(yù)熱溫度保持一致。手工雙面焊應(yīng)該清理焊接，自動焊和二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊如通過經(jīng)驗(yàn)確認(rèn)能保證全焊透可不做清根處理。處于設(shè)計(jì)壓力p≥6.3MPa的水套爐盤管的手工焊對接焊縫，角接焊縫應(yīng)采用氬弧焊打底。用手工電弧焊和氣焊焊接管子時，宜采用多層焊，各焊層的接頭應(yīng)錯開。焊接接頭兩端的引弧板、熄弧板或試板，焊后應(yīng)用氣割割下，不應(yīng)錘擊打落。接管補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接，應(yīng)在接管與殼體之間的焊接接頭檢查合格后進(jìn)行。對接接頭焊縫的余高，應(yīng)符合表3.3和圖3.10的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值的剛才以及Cr-Mo低合金鋼鋼材其他鋼材單面坡口雙面坡口單面坡口雙面坡口且≤3≤1.5且≤3且≤3且≤4≤1.5且≤4且≤4注：表中百分?jǐn)?shù)計(jì)算值小于1.5時，按1.5計(jì)。圖3.12角接接頭的焊腳尺寸，在圖樣無要求時應(yīng)取施焊件中較薄者的厚度。補(bǔ)強(qiáng)圈的焊腳尺寸，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)圈厚度大于或等于8mm時，應(yīng)取補(bǔ)強(qiáng)圈厚度的70%，且不應(yīng)小于8mm,當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于8mm時，取與補(bǔ)強(qiáng)圈等厚。焊接接頭外觀檢查標(biāo)準(zhǔn)、焊接接頭無損檢測、水壓試驗(yàn)應(yīng)遵循SYT5262-2009火筒式加熱爐規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。第4章結(jié)論與建議4.1結(jié)論本研究將傳統(tǒng)水套爐的火筒加熱器改為法蘭式電加熱器，對水套爐重新進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，集中化程度高，占地面積小。不需鋪設(shè)專用燃料管線，減少人力，物資的消耗。降低了油氣田的開采成本。同時對本研究中設(shè)計(jì)的水套爐進(jìn)行了受壓元件的設(shè)計(jì)校核，對水套爐進(jìn)行了熱力計(jì)算，設(shè)計(jì)選型了水套爐的儀表附件。針對具體的天然氣加熱需求及工藝參數(shù)進(jìn)行了電加熱水套爐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；并繪制出了電加熱水套爐的CAD二維裝配圖和三維示意圖。電加熱水套爐與傳統(tǒng)的燃?xì)饧訜崴谞t相比，具有更加安全可靠，綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、熱效率高、可控性能好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。4.2建議限于所學(xué)的知識及自己的學(xué)術(shù)水平，本次設(shè)計(jì)的電加熱水套爐在當(dāng)今這個科技不斷發(fā)展進(jìn)步的時代，仍有一些需要優(yōu)化，加強(qiáng)的地方，比如還可加入如自動反饋控制、遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制、模塊化安裝等技術(shù)。本次的水套爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是基于經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)的理論進(jìn)行計(jì)算分析的，如果條件允許還應(yīng)用軟件對水套爐整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，溫度流場分析、流體分析、噪音分析并通過模擬實(shí)驗(yàn)對電加熱水套爐系統(tǒng)的效率進(jìn)行測試。致謝畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，寫完這篇畢業(yè)論文時感慨頗多。首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師張梁老師。雖然做設(shè)計(jì)的過程是艱辛的，但是在老師的指導(dǎo)的下還是完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在做設(shè)計(jì)的過程中張梁老師給了我非常大的幫助，沒有他的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格的要求，我也不會順利完成這次設(shè)計(jì)。從選題到查閱資料，論文提綱的提取額，中期論文的修改，后期論文格式調(diào)整等各個環(huán)節(jié)都給予了我悉心指導(dǎo)。在此向張老師致以最誠摯的敬意。其次，還要感謝大學(xué)期間給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)們，畢業(yè)論文的完成離不開你們的幫助。最后，要向大學(xué)期間所有幫助過我的人說一聲謝謝！參考文獻(xiàn)[1]郭韻等.天然氣加熱爐可視化實(shí)驗(yàn)研究.上海理工大學(xué)學(xué)報.2009,4(31)[2]于慶波,秦勤,楊宗山等.水套加熱爐的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)加熱,2000,10(6):28-29.[3]郭韻,曹偉武,嚴(yán)平等.天然氣加熱爐結(jié)構(gòu)及其傳熱特性研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2009,33(3):251-254.[4]馬衛(wèi)國等.油田用加熱爐技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向.石油機(jī)械.2006,10(34)[5]GaryH.Palmer等.油氣田水套加熱爐.天然氣工業(yè),2002;22(1):80～84[6]SY0540-2006-T.石油工業(yè)用加熱爐型式與基本參數(shù)[7]SY-T5261-91火筒加熱爐受壓文件強(qiáng)度計(jì)算方法[8]SY-T+0535-1994火筒式加熱爐熱力與阻力計(jì)算方法[9]SY-T5262-2000火筒式加熱爐規(guī)范基于C8051F單片機(jī)直流電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機(jī)的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動檢測儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號檢測儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Interne