天然气加热炉内传热流动的理论及可视化流场试验研究

VIP免费
3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.68MB 72 页 15积分
侵权投诉
目 录
第一章 绪 论 ........................................................ 1
§1.1 天然气－21 世纪能源主导 ..................................... 1
§1.2 加热炉在天然气工业中的应用 .................................. 3
§1.3 天然气加热炉技术研究现状 .................................... 5
§1.3.1 自然通风燃烧技术 ...................................... 5
§1.3.2 微正压燃烧技术 ........................................ 5
§1.3.3 蓄热燃烧技术 .......................................... 6
§1.3.4 热管技术 .............................................. 7
§1.3.5 真空相变技术 .......................................... 8
§1.4 本文的研究目的和内容 ........................................ 9
第二章 圆腔体内加热元件偏心布置时的自然对流 ......................... 10
§2.1 圆腔体内加热元件偏心布置的结构形式 ......................... 10
§2.2 基本方程的建立 ............................................. 11
§2.2.1 假设条件 ............................................. 11
§2.2.2 涡量－流函数方法 ..................................... 11
§2.2.3 双极坐标系 ........................................... 12
§2.3 数值计算分析 ............................................... 16
§2.3.1 数值计算 ............................................. 16
§2.3.2 算例物理模型 ......................................... 17
§2.3.3 计算方法 ............................................. 17
§2.3.4 计算结果与分析 ....................................... 18
§2.4 小结 ....................................................... 23
第三章 天然气加热炉可视化流场试验研究 .............................. 24
§3.1 可视化流场试验设计意义 ..................................... 24
§3.2 试验装置 ................................................... 24
§3.2.1 试验本体 ............................................. 25
§3.2.2 热风循环系统 ......................................... 25
§3.2.3 冷风循环系统 ......................................... 26
§3.2.4 预热水系统 ........................................... 27
§3.2.5 测点布置 ............................................. 27
§3.2.6 数据采集系统 ......................................... 30
§3.3 试验方案 ................................................... 30
§3.3.1 热风循环 ............................................. 31
§3.3.2 冷、热风循环 ......................................... 31
§3.3.3 试验过程 ............................................. 32
§3.4 试验结果 ................................................... 32
§3.4.1 热风循环 ............................................. 32
§3.4.2 冷、热风循环 ......................................... 34
§3.5 小结 ....................................................... 36
第四章 天然气加热炉热力计算方法 ..................................... 37
§4.1 天然气加热炉炉内传热机理 ................................... 37
§4.2 热力计算 ................................................... 37
§4.2.1 燃料燃烧及热平衡计算 ................................. 39
§4.2.2 火筒传热量计算 ....................................... 40
§4.2.3 烟管传热计算 ......................................... 41
§4.2.4 盘管传热计算 ......................................... 43
§4.3 Excel 编制的计算程序 ....................................... 45
§4.4 小结 ....................................................... 46
第五章 天然气加热炉实物设计与分析 ................................... 47
§5.1 设计条件 ................................................... 47
§5.2 计算结果 ................................................... 48
§5.3 火筒式天然气加热炉影响因素分析 ............................. 48
§5.3.1 负荷影响 ............................................. 49
§5.3.2 过量空气系数影响 ..................................... 50
§5.3.3 火筒直径影响 ......................................... 51
§5.3.4 烟管管径影响 ......................................... 52
§5.3.5 中间载热介质影响 ..................................... 53
§5.4 小结 ....................................................... 54
第六章 结论与展望 .................................................. 55
§6.1 本文结论 ................................................... 55
§6.2 对未来工作的展望 ........................................... 56
参考文献 ............................................................ 57
附录 ................................................................ 61
附 1 天然气加热炉设计要求 ....................................... 61
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 天然气－21 世纪能源主导
能源是一个国家赖以生存的命脉，没有能源，任何现代文明都无从谈起。纵
观历史，人类利用能源的进程，最原始的是薪柴；十九世纪蒸气机发明带动了煤
炭发展，从而煤炭成为主体能源；20 世纪内燃机的普遍应用，带动了石油工业的
迅速发展，石油在推动世界经济发展和现代化进程中的作用日益突出，逐步在一
次能源结构中代替煤炭成为第一能源，并且这一主体地位延续至今。
然而，在经历了 20 世纪末的三次石油危机、吸取了对石油过分依赖的惨痛教
训之后，世界各国纷纷开始调整本国的能源结构，以促进国民经济的协调发展。
天然气由于其清洁、环保、热值高而备受世人的关注与重视，大力开发和利用天
然气几乎成为各国改善环境和维持可持续发展的最佳选择。过去的三十年中，天
然气成为发展最快的一种能源，在世界一次能源结构中所占比例由 17.2％上升到
22.8％。近二十年，全球天然气的产量增长了 1.7 倍。据权威组织预测，约到 2040
年，世界天然气供应量将超过石油和煤炭，所占的比例将达到 51.1％[1]。由此，世
界能源专家认为，21 世纪将是天然气的世纪。
与煤炭、石油等能源相比，天然气是公认的清洁能源。天然气的主要成分是
甲烷，含量达 90％。天然气在燃烧过程中，所产生的会影响人类呼吸系统健康的
氮氧化物、一氧化碳、可吸入悬浮微粒极少，几乎不产生导致酸雨的二氧化硫，
而产生能导致地球温室效应的二氧化碳也要比石油和煤炭低很多，燃烧之后也没
有废渣。表 1-1 为天然气与煤、石油的燃烧排放量[2]。
表1-1 天然气与油、煤的燃烧排放量（kg）
排放物
一吨油 一吨油当量煤 一吨油当量天然气
CO2
SO2
NO2
CO
未燃烃
灰渣
飞灰
3100 4800 2300
20（S未脱） 6（80％S已脱） /
6（工业用） 11（工业用） 4（工业用）
6～30 4.5 ~20 0.5～3
0.5 0.3 /
/ 220 /
/ 1.4 /
天然气加热炉内传热流动的理论及可视化试验研究
2
天然气的发热值很高，低位发热量约为 37620～41800kJ/m3[3]，与石油相当；
另外，天然气的热能利用率也较高，如天然气燃气电厂的热效率可达 60％以上，
若采用冷热电联供，其热能利用率可达 90％以上，表 1-2 为天然气在冷热电联供
系统中的能量阶梯利用[4]。天然气作为一种能源，已广泛应用于发电、工业燃烧以
及城市民用和商业领域中[5]。
表1-2 天然气在冷热电联供系统中的能量阶梯利用
燃烧产物温位 利用设备 应用场合
1500℃ 发动机 电力
1100℃ 燃气轮机 电力
700℃ 蒸汽轮机 电力、动力
300℃ 余热锅炉 蒸汽热利用（工厂）
120℃ 吸收式制冷机 供冷
100℃ 换热器 供高温水
80℃ 换热器 供中温水
50℃ 换热器 采暖
近年来，我国天然气工业也正在以前所未有的速度发展。截止 2005 年底，全
国累计探明天然气可采储量达 3.5 万亿立方米，比 2004 年增加了 25％；
2005 年全
年天然气产量达 499.5 亿立方米，比上年增加 91 亿立方米，同比增长 22％，图 1-1
为2000 年～2005 年我国天然气产量[6]；2005 年全年销售量为 403 亿立方米，增幅
达34％[7]。天然气的消费领域也不断扩大，主要是城市燃气和天然气发电的迅速
发展，1999 年到 2003 年，城市燃气天然气消费量由 35 亿立方米增加到 72 亿立方
米，占总消费量的比例由 15％上升至 23.9％，天然气发电用气由 25 亿立方米增加
到 39 亿立方米，占总消费量的比例由 10.7％上升至 13％[8，9]，图 1-2 为我国天然
气行业消费需求预测。
图1-1 2000～2005 年我国天然气产量
第一章 绪论
3
图1-2 我国天然气行业消费需求预测
为了加速天然气工业的发展，我国制定了“西气东输、俄气南供、进口液化
天然气（LNG）、近海气登陆以及煤层气开发”的供气原则。截止 2005 年底全国
铺设的天然气管道总长度约 2.8 万千米，其中管径大于 426 毫米的管道总长度为
1.7 万千米，数条基干管道及联络线投入运营[10]；天然气的国际合作业务全面展开，
分别研究了从俄罗斯、中亚以及东南亚国家引进管道天然气的可能性，同时开展
了LNG 引进、储运及应用等项目[11]。兴起的天然气工业必将调整和优化我国能源
结构，促进社会和谐发展，图 1-3 显示了我国西气东输的线路图。
图1-3 西气东输线路图
§1.2 加热炉在天然气工业中的应用
在天然气工业中，天然气的加工处理过程是将开采出的原气变成商品气的过
程，涉及净化、调压、加热等环节，而其中加热过程又是整个加工处理过程中必
不可少的一环。天然气加热炉作为油气田一种重要的加热设备，广泛地应用于天
然气集输系统中，天然气加热炉具有单台负荷小，使用安全，不结焦等特点[12]。
图1-4 为现场运行的天然气加热炉。
天然气加热炉内传热流动的理论及可视化试验研究
4
图1-4 现场运行的天然气加热炉
一般在集输系统中或在采气井口处，都要对天然气进行节流调压处理。天然
气调压时温度会随着压力的下降而下降，天然气每减压 100kPa，其温度会下降
0.5℃。通常从气井开采出来的天然气，除了含有可燃烃类气体外，还含有少量的
水蒸气。在节流降压过程中，随着温度的降低，水蒸气就会析出成为水合物。这
些水合物能堵塞井筒、管线、阀门和设备，从而影响天然气的开采、集输和加工
的正常运行，严重时甚至会造成停产。排除水合物堵塞的解堵操作花费的时间较
长，可以延续数小时甚至数日，而且还可能发生危险[13]。因此，天然气水合物已
经成为影响天然气安全生产的重要危害之一。为了避免这种现象的发生，工程上
通常对天然气先升温再节流[14]。图 1-5 显示了五百梯气田集输流程中的天然气加热
炉[15]。
图1-5 五百梯气田集输流程图
另外，在天然气使用过程中也常需加热，如在燃气发电机组中，对燃料气的
压力、温度、露点以及游离液体和固体颗粒的含量和粒径都有很高的要求[16]：供
气的压力范围按发电机组的类型，一般有两个压力等级，小容量机组为 0.3～0.6
第一章 绪论
5
MPa，大容量机组为 2.3～3.4 MPa；温度要求控制在-30～80℃范围内；对露点要
求高出烃露点、水露点 5℃以上；天然气中不含有游离液体，不含有大于 10μm 以
上的液滴和固体颗粒。目前天然气到电厂厂界的供气压力一般为 4.5MPa，温度为
常温，因此电厂使用的燃料气需要经过调压和加热处理。此外，燃气电厂出于对
提高热效率的考虑，也会对燃料气进行加热。因此，天然气加热炉在天然气输运
和应用过程中发挥了重要作用，是一种不可缺少的重要装备。
§1.3 天然气加热炉技术研究现状
随着世界经济的飞速发展，高效、节能、低耗、环保已被摆到了非常重要的
位置，因此对于天然气工业中的重要耗能设备——天然气加热炉来说 ，提高热效
率、降低钢耗量的研究就显得尤为重要。
世界各国的研究人员对提高天然气加热炉热效率投入了大量的精力，对加热
炉结构和炉内热工过程进行改进和完善，不断提出先进的燃烧技术和传热换热技
术。
§1.3.1 自然通风燃烧技术
当天然气加热炉的燃料燃烧采用自然通风时，利用炉内高温烟气和外界冷空
气间的密度差产生的压头进行通风，不需要专门配置送风机。该系列加热炉的优
点是结构简单、适应性强、不需耗电、密封效果好，特别适用于油气田的野外作
业。北京超拓公司研制的自然通风天然气加热炉采用了高效燃烧器，在热效率不
低于 86％的情况下 ，节省了风机的电耗，降低了设备的故障率[17]。天然气加热炉
采用自然通风时，为了提高热效率，会增大加热炉烟管对流段的传热面积以便在
烟气进入烟囱之前吸收更多的热量，从而导致加热炉体积庞大,耗钢量大[18]。
§1.3.2 微正压燃烧技术
微正压天然气加热炉的结构形式为在卧式金属圆筒壳体内设置火筒、烟管及
盘管，用中间载热介质来传递热量的一种炉型形式。火筒和烟管布置在壳体内的
下部空间，烟管布置在火筒的一侧，火筒与烟管相连通；盘管布置在壳体的上部
空间，如图 1-6 所示。燃料在火筒内燃烧，燃烧后的烟气流入烟管，这样火筒和烟
管将热量传递给中间载热介质，由中间载热介质加热盘管中的天然气。火筒具有
燃烧室的功能，主要传递辐射热，烟管主要传递对流热[19]。中间载热介质一般采
用水、乙二醇－水溶液和导热油[20,21]。
天然气加热炉内传热流动的理论及可视化试验研究
6
图1-6 天然气加热炉结构示意图
微正压天然气加热炉采用机械通风微正压燃烧方式，燃烧器为强制供风式燃
烧器，并配备自动程序点火和熄火保护装置。烟气侧采用平直或平直与波形组合
的火筒和螺旋槽烟管以增强换热，盘管采用可拆卸式螺旋槽 U 型管束。该系列加
热炉较之自然通风的特点是热效率高、结构紧凑，耗钢量少[22]。采用微正压燃烧
技术的天然气加热炉因为要对风量、燃料量、负荷量等参数进行控制，要在整个
操作范围内保持合适的空气与燃料的比例，所以增加了加热炉的成本。另外，为
了维持微正压燃烧需要风机，即需要外界电源，这就为天然气加热炉野外作业增
加了不便，而且增加了电耗[23]。
§1.3.3 蓄热燃烧技术
蓄热燃烧技术是一种传统技术，因其具有显著的节能效果，被世界上一些工业
发达的国家相继开发和采用。目前，蓄热技术主要应用于玻璃、钢铁、化工等行
业[24]。
图1-7 蓄热式天然气加热炉结构示意图
1.煤气总管 2.快速截止阀 3.盘管 4.火筒
5.燃烧室 6.蓄热体 7.炉壳 8.换向阀
摘要：

目录第一章绪论........................................................1§1.1天然气－21世纪能源主导.....................................1§1.2加热炉在天然气工业中的应用..................................3§1.3天然气加热炉技术研究现状....................................5§1.3.1自然通风燃烧技术......................................5§1.3.2微正压燃烧技术..............

展开>> 收起<<
天然气加热炉内传热流动的理论及可视化流场试验研究.pdf

共72页,预览8页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：72 页 大小：2.68MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 72
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注