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太阳能加热输送原油系统中新型换热器的设计研究点击：2116 日期：[ 2014-04-26 22:55:09 ] |
| 我国原油普遍凝点较高，粘度大，常温下流动性差。原油从各个单井汇集到地面计量站后，将继续送往以后各油站。在输运过程中，原油必须进行加热与保温，以保持其良好的流动性。把太阳能热利用技术与原油加热相结合，利用太阳能替代部分常规能源，在节能降耗及绿色环保方面具有重要的意义。某油田采油厂的一个计量站，在原油被送往下一站时，原油加热温度大约需要提高２５－３０℃，每天所需天然气大约１×１０３ｍ３。如果利用太阳能来加热该站原油可大大节约天然气的消耗。在一套为某采油厂设计的太阳能加热输送油系统中，采用间接加热原油的方式，即利用太阳能集热器提供热媒水，再通过原油换热器间接加热原油。该系统中的换热器，根据工艺条件选择采用套管式换热器比较合适。 普通的套管式换热器由直径不同的两根同心套管组成传热单元，在石油、化工工业生产中的应用较广。尤其是在流量小、压力高的情况下大都用这种换热器。可是套管式换热器单位传热面积消耗的金属多，为达到一定的传热面积往往外形体积十分庞大，管内阻力降也较大，同时环系隙通道清洗困难，不利于原油的输送加热。 用多根细管组成管束放入一外管内可构成套管式管束换热器，该种换热器与普通的单内管套管式换热器相比较，外管直径较大，介质流量可得到增加。单位长度上的换热面积也增加，减少了流体阻力降。其基本单元往往做成数米长的一段直管，通过这些基本单元的串联或并联，可以方便的构成多流程或流道的流动型式，以适应各种换热要求，也方便清洗。基本单元与管壳式换热器的结构类似，但比管壳式细长得多。外管的管径相对管壳式的壳体而言要小很多，因而管板的厚度和管壁的厚度与管壳式相比都要小很多，非传热面的材料耗用减少，节省了材料。由于上述优点，套管式管束换热器的应用将会越来越广泛。 然而，目前这种套管式管束换热器内部都采用折流板支撑形式。这种结构的缺点是流体在管间作横向折流，造成较大的传热死区，在这些区域内，传热效率很低，压力降较大，抗流体诱导振动能力差。所幸的是２０世纪７０年代美国菲利浦石油公司Ｗ．Ｍ．Ｓｍａｌｌ等人为解决管壳式换热器的流体诱导振动，开发出折流杆换热器，该换热器内部结构以杆式支撑替代原弓形挡板，使壳程流体由横向流动变为平行流动，这不仅大大减少了传热死区，而且大幅度减少了流体因多次反复折流而损失的壳程压力降。其优良的抗振性能可解决原油输送过程中因流量或油气成分变化而引起的管子振动问题。 折流杆换热器作为一种新型的管壳式换热器，由于其具有传热特性好、压力损失小、抗振性能好等特点而被各行业广泛应用。 套管式管束换热器在国内生产企业还不是很多，更鲜见有折流杆技术应用于此类换热器中的报道。本文将折流杆技术应用于套管式管束换热器中，开发了新型的套管式管束换热器，并应用于太阳能加热输送原油系统中，克服按传统方法设计的换热器传热效率低、压降高、体积大、耗材占地多的缺点。同时通过实际设计体会，借以交流和促进折流杆换热器的应用领域和范围。; 太阳能加热输送原油系统 原油工艺条件 采油厂计量站原油的成分由水、油、气组成，在被送往下一计量站时，温度由２５－３０℃加热到５０－５５℃，操作压力为０．６Ｍｐａ，按定性温度为４０℃计算，其工艺条件及物性参数见表１。 工艺流程 太阳能加热原油输 送系统设计。主要包括太阳能集热器及其阵列、原油换热器、蓄热水箱、控制系统等，而原油换热器的设计条件及要求是非常苛刻的。整个系统的流程如图１所示。 系统工作原理简述如下：在正常太阳能辐射条件下，循环泵１４开启，将小蓄热水箱的热水经自动控制阀门５、３送入换热器１２中，此时阀门４、６关闭。进入换热器的热水与原油换热后经自动控制阀门８进入集热器阵列中，经集热器加热后再经自动控制阀门９进入小蓄热水箱。此时阀门７关闭。热水在换热器１２中与原油进行热交换，并将原油加热。加热后的原油通过输油端出口后进入水套炉中，加热器１３则根据原油温度的高低进行自动点火加热。 当发现热小蓄水箱的温度较高时，此时有多余热量储存，是自动开启循环泵１５，热水经自动控制阀门１１进入大蓄热水箱蓄热后，再经自动控制阀门１０，回小蓄热水箱后送往换热器。当集热器内的温度较低无法使水温提高时，热水在换热器与原油换热后经自动控制阀门７回小蓄热水箱，此时自动控制阀门８关闭，大蓄热水箱向小蓄热水箱补充热量。如果换热器出口端处１６的水温度接近进口端１７处的水温度，则自动关闭进口端阀门１，此时让原油经过阀门２直接进入加热炉加热。冬季夜间或系统检修、停用等情况下，系统内的水经自动控制阀门４、６送回热水箱，此时自动控制阀门５、３关闭。 套管式折流杆管束换热器设计 折流杆换热器的结构特点及传热强化机理 折流杆换热器与传统的折流板管壳式换热器相比较，内部结构发生了较大变化。壳程内部采用折流杆组成的折流圈取代传统弓形折流板作管间支撑物，壳体内部的折流元件和管支撑元件是一系列处于同一截面、互为平行的折流杆。折流杆换热器上述管支撑方式，使壳程流体由横向流动变为平行流动，这不仅大大减少了传热死区，而且大幅度减少了流体因多次反复折流而损失的壳程压力降，能以较低的流体输送功获取较高的传热膜系数。同时，流体绕流细小的折流杆形成的涡街及流体流过折流圈所产生的缩脉效应－文丘里效应，都使壳测的传热得以强化。本研究的折流杆管束换热器又作了以下调整与改进： （１）折流圈采用单排换热管的布杆方式，即折流圈在每一排换热管间都布置折流杆，折流圈只有一种形式，方便生产加工。折流圈采用单排管布杆与双排相比，圈内折流杆数量多一倍，增加了流体的挠动，传热得到了强化。 （２）采用螺旋槽型传热强化管。螺旋槽管比横纹槽管制造加工更加简单方便，应用更广。目前大多数管壳式换热器都采用螺旋槽管强化流体在管内外纵向冲刷时的对流传热。其传热强化的机理为：螺旋槽管可利用粗糙的传热肋面来促进流体边界层的湍流度，减薄传热滞流底层厚度，从而强化边界层传热，管内管外的传热同时得到了强化。 基本单元换热器的结构 太阳能加热输送原油系统中的换热器，原油的粘度较大、易结垢，有一定的腐蚀性。考虑到换热器清洗、维护、装拆方便等情况，基本单元设计成填料函式结构形式，管束内外均可方便维修清洗。如图２所示。 总体设计 本系统采用的换热器壳程介质为原油（工艺参数见表１），进口温度为２５－３０℃，出口温度为５０－５５℃。管程介质为水，热水由太阳热水器提供，进口温度为７０－８０℃，出口温度为５０－６０℃。壳体尺寸为ф１５９×６．５㎜，换热管的规格为ф１４×２㎜的螺旋槽管，数量为３７根，管长Ｌ＝３ｍ。总传热系数为３３２Ｗ／（㎡·℃），总换热面积为２７㎡。换热器结构采用套管式管束换热器，整个换热器由六个折流杆管束换热器基本单元组成，见图３。 该换热器，与现行套管式换热器相比，总传热系数提高３５％以上，壳侧阻力降减小５０％以上，处理相同的热负荷，所需设备重量轻，大大节省了设备的投资。两种换热器设计参数比较见表２。 新型套管式折流杆管束换热器传热效率高、压降低、材料及能耗小。换热管束采用螺旋槽管起到复合强化传热的作用。在太阳能加热输送原油系统中采用该种形式的换热器可达到节能降耗的效果。 文/王学生 王如竹 吴静怡 许煜雄 电话：０２１－６２９３３２５０ ６２９３３８３８ |
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