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| 我國(guó)原油普遍凝點(diǎn)較高，粘度大，常溫下流動(dòng)性差。原油從各個(gè)單井匯集到地面計(jì)量站后，將繼續(xù)送往以后各油站。在輸運(yùn)過程中，原油必須進(jìn)行加熱與保溫，以保持其良好的流動(dòng)性。把太陽能熱利用技術(shù)與原油加熱相結(jié)合，利用太陽能替代部分常規(guī)能源，在節(jié)能降耗及綠色環(huán)保方面具有重要的意義。某油田采油廠的一個(gè)計(jì)量站，在原油被送往下一站時(shí)，原油加熱溫度大約需要提高２５－３０℃，每天所需天然氣大約１×１０３ｍ３。如果利用太陽能來加熱該站原油可大大節(jié)約天然氣的消耗。在一套為某采油廠設(shè)計(jì)的太陽能加熱輸送油系統(tǒng)中，采用間接加熱原油的方式，即利用太陽能集熱器提供熱媒水，再通過原油換熱器間接加熱原油。該系統(tǒng)中的換熱器，根據(jù)工藝條件選擇采用套管式換熱器比較合適。 普通的套管式換熱器由直徑不同的兩根同心套管組成傳熱單元，在石油、化工工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較廣。尤其是在流量小、壓力高的情況下大都用這種換熱器?？墒翘坠苁綋Q熱器單位傳熱面積消耗的金屬多，為達(dá)到一定的傳熱面積往往外形體積十分龐大，管內(nèi)阻力降也較大，同時(shí)環(huán)系隙通道清洗困難，不利于原油的輸送加熱。 用多根細(xì)管組成管束放入一外管內(nèi)可構(gòu)成套管式管束換熱器，該種換熱器與普通的單內(nèi)管套管式換熱器相比較，外管直徑較大，介質(zhì)流量可得到增加。單位長(zhǎng)度上的換熱面積也增加，減少了流體阻力降。其基本單元往往做成數(shù)米長(zhǎng)的一段直管，通過這些基本單元的串聯(lián)或并聯(lián)，可以方便的構(gòu)成多流程或流道的流動(dòng)型式，以適應(yīng)各種換熱要求，也方便清洗?；締卧c管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)類似，但比管殼式細(xì)長(zhǎng)得多。外管的管徑相對(duì)管殼式的殼體而言要小很多，因而管板的厚度和管壁的厚度與管殼式相比都要小很多，非傳熱面的材料耗用減少，節(jié)省了材料。由于上述優(yōu)點(diǎn)，套管式管束換熱器的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。 然而，目前這種套管式管束換熱器內(nèi)部都采用折流板支撐形式。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是流體在管間作橫向折流，造成較大的傳熱死區(qū)，在這些區(qū)域內(nèi)，傳熱效率很低，壓力降較大，抗流體誘導(dǎo)振動(dòng)能力差。所幸的是２０世紀(jì)７０年代美國(guó)菲利浦石油公司Ｗ．Ｍ．Ｓｍａｌｌ等人為解決管殼式換熱器的流體誘導(dǎo)振動(dòng)，開發(fā)出折流桿換熱器，該換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以桿式支撐替代原弓形擋板，使殼程流體由橫向流動(dòng)變?yōu)槠叫辛鲃?dòng)，這不僅大大減少了傳熱死區(qū)，而且大幅度減少了流體因多次反復(fù)折流而損失的殼程壓力降。其優(yōu)良的抗振性能可解決原油輸送過程中因流量或油氣成分變化而引起的管子振動(dòng)問題。 折流桿換熱器作為一種新型的管殼式換熱器，由于其具有傳熱特性好、壓力損失小、抗振性能好等特點(diǎn)而被各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 套管式管束換熱器在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)還不是很多，更鮮見有折流桿技術(shù)應(yīng)用于此類換熱器中的報(bào)道。本文將折流桿技術(shù)應(yīng)用于套管式管束換熱器中，開發(fā)了新型的套管式管束換熱器，并應(yīng)用于太陽能加熱輸送原油系統(tǒng)中，克服按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的換熱器傳熱效率低、壓降高、體積大、耗材占地多的缺點(diǎn)。同時(shí)通過實(shí)際設(shè)計(jì)體會(huì)，借以交流和促進(jìn)折流桿換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。 ; 太陽能加熱輸送原油系統(tǒng) 原油工藝條件 采油廠計(jì)量站原油的成分由水、油、氣組成，在被送往下一計(jì)量站時(shí)，溫度由２５－３０℃加熱到５０－５５℃，操作壓力為０．６Ｍｐａ，按定性溫度為４０℃計(jì)算，其工藝條件及物性參數(shù)見表１。 工藝流程 太陽能加熱原油輸 送系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要包括太陽能集熱器及其陣列、原油換熱器、蓄熱水箱、控制系統(tǒng)等，而原油換熱器的設(shè)計(jì)條件及要求是非?？量痰?。整個(gè)系統(tǒng)的流程如圖１所示。 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)述如下：在正常太陽能輻射條件下，循環(huán)泵１４開啟，將小蓄熱水箱的熱水經(jīng)自動(dòng)控制閥門５、３送入換熱器１２中，此時(shí)閥門４、６關(guān)閉。進(jìn)入換熱器的熱水與原油換熱后經(jīng)自動(dòng)控制閥門８進(jìn)入集熱器陣列中，經(jīng)集熱器加熱后再經(jīng)自動(dòng)控制閥門９進(jìn)入小蓄熱水箱。此時(shí)閥門７關(guān)閉。熱水在換熱器１２中與原油進(jìn)行熱交換，并將原油加熱。加熱后的原油通過輸油端出口后進(jìn)入水套爐中，加熱器１３則根據(jù)原油溫度的高低進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火加熱。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)熱小蓄水箱的溫度較高時(shí)，此時(shí)有多余熱量?jī)?chǔ)存，是自動(dòng)開啟循環(huán)泵１５，熱水經(jīng)自動(dòng)控制閥門１１進(jìn)入大蓄熱水箱蓄熱后，再經(jīng)自動(dòng)控制閥門１０，回小蓄熱水箱后送往換熱器。當(dāng)集熱器內(nèi)的溫度較低無法使水溫提高時(shí)，熱水在換熱器與原油換熱后經(jīng)自動(dòng)控制閥門７回小蓄熱水箱，此時(shí)自動(dòng)控制閥門８關(guān)閉，大蓄熱水箱向小蓄熱水箱補(bǔ)充熱量。如果換熱器出口端處１６的水溫度接近進(jìn)口端１７處的水溫度，則自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)口端閥門１，此時(shí)讓原油經(jīng)過閥門２直接進(jìn)入加熱爐加熱。冬季夜間或系統(tǒng)檢修、停用等情況下，系統(tǒng)內(nèi)的水經(jīng)自動(dòng)控制閥門４、６送回?zé)崴?，此時(shí)自動(dòng)控制閥門５、３關(guān)閉。 套管式折流桿管束換熱器設(shè)計(jì) 折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及傳熱強(qiáng)化機(jī)理 折流桿換熱器與傳統(tǒng)的折流板管殼式換熱器相比較，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。殼程內(nèi)部采用折流桿組成的折流圈取代傳統(tǒng)弓形折流板作管間支撐物，殼體內(nèi)部的折流元件和管支撐元件是一系列處于同一截面、互為平行的折流桿。折流桿換熱器上述管支撐方式，使殼程流體由橫向流動(dòng)變?yōu)槠叫辛鲃?dòng)，這不僅大大減少了傳熱死區(qū)，而且大幅度減少了流體因多次反復(fù)折流而損失的殼程壓力降，能以較低的流體輸送功獲取較高的傳熱膜系數(shù)。同時(shí)，流體繞流細(xì)小的折流桿形成的渦街及流體流過折流圈所產(chǎn)生的縮脈效應(yīng)－文丘里效應(yīng)，都使殼測(cè)的傳熱得以強(qiáng)化。本研究的折流桿管束換熱器又作了以下調(diào)整與改進(jìn)： （１）折流圈采用單排換熱管的布桿方式，即折流圈在每一排換熱管間都布置折流桿，折流圈只有一種形式，方便生產(chǎn)加工。折流圈采用單排管布桿與雙排相比，圈內(nèi)折流桿數(shù)量多一倍，增加了流體的撓動(dòng)，傳熱得到了強(qiáng)化。 （２）采用螺旋槽型傳熱強(qiáng)化管。螺旋槽管比橫紋槽管制造加工 更加簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用更廣。目前大多數(shù)管殼式換熱器都采用螺旋槽管強(qiáng)化流體在管內(nèi)外縱向沖刷時(shí)的對(duì)流傳熱。其傳熱強(qiáng)化的機(jī)理為：螺旋槽管可利用粗糙的傳熱肋面來促進(jìn)流體邊界層的湍流度，減薄傳熱滯流底層厚度，從而強(qiáng)化邊界層傳熱，管內(nèi)管外的傳熱同時(shí)得到了強(qiáng)化。 基本單元換熱器的結(jié)構(gòu) 太陽能加熱輸送原油系統(tǒng)中的換熱器，原油的粘度較大、易結(jié)垢，有一定的腐蝕性。考慮到換熱器清洗、維護(hù)、裝拆方便等情況，基本單元設(shè)計(jì)成填料函式結(jié)構(gòu)形式，管束內(nèi)外均可方便維修清洗。如圖２所示。  總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用的換熱器殼程介質(zhì)為原油（工藝參數(shù)見表１），進(jìn)口溫度為２５－３０℃，出口溫度為５０－５５℃。管程介質(zhì)為水，熱水由太陽熱水器提供，進(jìn)口溫度為７０－８０℃，出口溫度為５０－６０℃。殼體尺寸為ф１５９×６．５㎜，換熱管的規(guī)格為ф１４×２㎜的螺旋槽管，數(shù)量為３７根，管長(zhǎng)Ｌ＝３ｍ?？倐鳠嵯禂?shù)為３３２Ｗ／（㎡·℃），總換熱面積為２７㎡。換熱器結(jié)構(gòu)采用套管式管束換熱器，整個(gè)換熱器由六個(gè)折流桿管束換熱器基本單元組成，見圖３。  該換熱器，與現(xiàn)行套管式換熱器相比，總傳熱系數(shù)提高３５％以上，殼側(cè)阻力降減?。担埃ヒ陨?，處理相同的熱負(fù)荷，所需設(shè)備重量輕，大大節(jié)省了設(shè)備的投資。兩種換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)比較見表２。  新型套管式折流桿管束換熱器傳熱效率高、壓降低、材料及能耗小。換熱管束采用螺旋槽管起到復(fù)合強(qiáng)化傳熱的作用。在太陽能加熱輸送原油系統(tǒng)中采用該種形式的換熱器可達(dá)到節(jié)能降耗的效果。 文/王學(xué)生 王如竹 吳靜怡 許煜雄 ：０２１－６２９３３２５０ ６２９３３８３８ |
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