加热炉多流域传热模拟及热效分析

方案：温度在1 000～1 400 ℃之间，等间距取9组数据，结合模拟得到的入口、出口质量焓值，采用反平衡热效率计算方式，分别计算热效率，得到排烟损失和散热损失的变化（见图6）及热效率变化（见图7）。

从图6可看出，温度在1 000～1 050 ℃之间，散热损失和排烟损失均较小，而后又均保持不变，表明加热炉在由欠负荷向正常负荷工作状态转变，在1 050～1 250 ℃区间为加热炉正常工作负荷范围。高于1 250 ℃后，两种损失陡然增加，说明此时加热炉已经处于过饱和工作状态，没有能力充分地吸收烟气热能。

从图7可看出，加热炉在正常工作负荷区间，效率可以稳定在90%以上;烟气入口温度为1 150 ℃时，热效率最高为90.23%;同时发现，在欠负荷或过负荷运行状态，热效率均低于90%，且随着加热炉烟气入口温度的升高，热效率直线降低。

4.2烟气的入口流量对热效率影响

烟气性质一定时，烟气流量越大，携带热量越多，传递给原油的热量也越多，但同时，通过炉壁向大气散发的热量也会增加，排烟量也会加大[19-20]。因此，本节选取了烟气流量在112～137 kg/h区间的9组数据进行热效分析，确定出最合适的入口烟气流量，得到最佳加热炉热效率。散热损失、排烟损失以及热效率的变化趋势见图8—图10。

由图8可知，流量在112～118 kg/h之间，炉壁温度缓慢升高，但散热损失逐渐减小，这是因为此时加热炉处于欠饱和工作状态，烟气携带的热量没有被需要加热的介质充分吸收，炉内强制对流换热不充分，散热损失偏大;在127 kg/h往后，散热损失和炉壁温度均快速升高，说明加热炉处于过饱和工作状态。

由图9可知，排烟损失的变化与排烟温度呈现相同趋势，排烟温度升高，单位质量烟气携带的热量必然增大，排烟损失也会升高;在流量127 kg/h往后，排烟损失则表现为大幅度上涨，说明此时加热炉由排烟带走的热量占比越来越大，加热炉过负荷运行。

由图10可知，该加热炉的正常负荷运行时对应的烟气入口流量区间为112～127 kg/h， 效率可达90%以上，高于127 kg/h时为过负荷运行。模拟分析得到加热炉的烟气入口最佳流量为118 kg/h，此时热效率可达90.43%。

4.3原油流量对热效率的影响

一般来讲，原油流量越小，盘管中原油进出口温差就越大，但这并不代表加热炉的热效率就越大，热效率与待加热的原油的性质、流量等有密切关系[21]。原油性质见表3。分别统计单盘管流量为2～3.2 m3/h时的9组加热炉热效率情况，见图11。

由图11可知，上、下盘管的出口温度均随着原油流量的增加而降低，这说明原油流量越大，升温越慢，原油加热能够达到的温度越低，平均表现为流量每增加280 kg/h，出油温度降低1 ℃左右;加热炉热效率随着原油流量的增加而呈现先急剧升高后平缓上升最后趋于稳定的趋势。这说明，在流量小时，单位时间内原油吸收热量少，这是因为原油的比热容随着温度升高而升高，原油通过吸收热量提高自身温度的能力会变弱，因此表现为加热炉热效率低;在原油流量逐渐加大过程中，原油温度逐渐降低，比热容也降低，升高1 K吸收的热量变少，从而原油吸热升温能力变强，因此加热炉热效率变大;当最终原油流量达到一定值时，加热炉热效率趋于稳定，此时原油吸收热量能力接近饱和状态，因此热效率不再升高。热效率从81.26%升高到93.38%，变化了12%左右，说明原油流量对加热炉热效率的影响较大。

5结论

针对辽河油田设计的新型自然通风式加热炉的传热特性及热效率不明确的问题，采用模拟结合计算的方法进行了研究，得出以下结论。

1）新加热炉换热充分，横烟管使烟气产生的温降效果最为明显，根据温度场及流场得出，炉体内未发生热应力集中现象。

2）正平衡与反平衡算法得到的效率值近似相等，均为90.3%左右，相比于辽河油田老式自然通风加热炉，效率提高了近7%。

3）相比于烟气温度和流量对热效的影响，原油流量的高低对加热炉的热效率影响最大，可使效率波动达12%。

笔者从理论上验证了辽河油田的小型自然通风式加热炉的高效性，但研究成果尚未经过现场实测验证。接下来的工作是结合现场加热炉的燃烧情况，调整运行参数，使加热炉达到最佳工况。

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