臥式燃油燃氣爐爐膽傳熱計算方法的比較研究

林 宏，趙鑫晨，姜少軍

(1.哈爾濱市節(jié)能監(jiān)察中心，哈爾濱，150021;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150001;3.黑龍江省綏芬河市特種設(shè)備檢驗研究所黑龍江綏芬河157300)

0 引言

原油加熱輸送是通過加熱提高稠油的流動溫度，以降低稠油粘度，從而減少管路摩阻損失的一種原油輸送方法［1］。

采用水的相變換熱原理研制出的真空相變加熱爐［2］，可很好地解決傳統(tǒng)加熱爐存在的問題［3］。實際應(yīng)用表明，該產(chǎn)品在油氣集運加熱領(lǐng)城用于原油、井產(chǎn)物、含油污水、天然氣等加熱，具有安全、環(huán)保、節(jié)能、高效的優(yōu)點，在石油行業(yè)具有很好的應(yīng)用前景［4］。

真空相變加熱爐的熱力計算是很重要的，而這其中又以爐膽傳熱計算最為關(guān)鍵，爐膽傳熱計算的主要目的是確定爐膽出口煙溫。本文在對已有的臥式內(nèi)燃燃油燃氣鍋爐爐膽的傳熱計算公式進行比較，提出適合加熱爐爐膽傳熱計算的方法和簡化算法。

1 已有的爐膽傳熱計算公式

方法一：蘇聯(lián)《鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法》中爐膛出口煙溫的計算公式為［5］：

式中：Tll——理論燃燒溫度，K;δ0——黑體輻射常數(shù)，5.67 × 10-11kW/(m2.K4);F1——爐膛輻射受熱面積，m2;φpj——爐膛平均熱有效系數(shù);α1——爐膛系統(tǒng)黑度;φ——保熱系數(shù);Bj——計算燃燒消耗量 kg/s;Vcpj——燃燒產(chǎn)物平均熱容量，kJ/Nm3.K;M——經(jīng)驗系數(shù)。

公式是建立在室燃爐傳熱模型基礎(chǔ)上，并將“相似理論”應(yīng)用于爐內(nèi)過程得到的。考慮到鍋爐行業(yè)設(shè)計工作者對蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)比較熟悉，所以目前在燃油燃氣鍋爐爐膛的熱力計算中有很多廠家仍在使用此公式。式中系數(shù)M是爐膛出口煙溫確定的一個關(guān)鍵性系數(shù)。有的學(xué)者認為M沒有確切的物理意義，不適用于臥式內(nèi)燃燃油燃氣鍋爐爐膛的熱力計算。事實上此公式是在大量模型和實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)立火焰與爐壁輻射換熱方程和爐膛熱平衡方程推導(dǎo)得出的，有著牢固的理論和實踐基礎(chǔ);而且系數(shù)M正是充分考慮了爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器布置形式、燃料組成等因素提出的爐膛熱力計算中的半經(jīng)驗折算系數(shù)。

爐膽輻射傳熱有沿爐膽徑向均勻，軸向一維線性分布的特點，所以系數(shù)M的表達式采用線性函數(shù)關(guān)系式：

式中：Xd為火焰長度和爐膛長度的比值，對氣體燃料系數(shù)a為1.01;系數(shù) b為0.49。

文中方法計算出來的爐膽出口煙溫較好的與實際出口煙溫相吻合。因此，以本公式的計算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，考察其他計算公式的準(zhǔn)確性。

方法二：《關(guān)于鍋殼油氣鍋爐爐膽傳熱的理論分析與計算》中提出的計算公式［6］。

方法三：《燃油燃氣鍋爐》一書中的簡化計算公式［7］。

式中：Q為輻射換熱量，kJ/m3;C為輻射換熱系數(shù)，kW/(m2.K) ，推薦 C=11～15;Hf為有效輻射受熱面積，m2;Thy為爐膽內(nèi)火焰的平均溫度，K;Tb為爐膽內(nèi)表面壁溫，K;Bj為計算燃料消耗量，m3/s。

文中公式形式簡單，理論基礎(chǔ)依然是輻射傳熱的基本方程，參數(shù)少且易于求得。公式中比較關(guān)鍵的是火焰的平均溫度Thy和爐膽內(nèi)表面壁溫度Tb的計算。

有些設(shè)計者［8］在實際計算時用以下公式計算爐膛吸熱。

式中：?11為爐膛出口煙溫 ℃;K為系數(shù)，柴油為38.5，重油為38.9;D 為鍋爐蒸發(fā)量，t/h;d為爐膽內(nèi)徑，m;B為燃料消耗量，kg/h;Q為燃料收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg;F為輻射受熱面積，m2。

方法五：盤管式燃油熱載體爐膛出口煙氣溫度的簡易計算公式

式中：F——受熱面積，m2;C——輻射換熱系數(shù)(kW/m2.K)，取值 2.5～3.8 之間。

此公式與式(4)實際為同一公式。

方法四：《臥式內(nèi)燃三回程燃油爐爐膛出口煙溫計算公式探討》中提出的公式［9］：

式中：?11為爐膛出口煙氣溫度，℃;Hf為爐膛輻射受熱面積m2;B為燃油量;kg/h;

方法四和方法五只對燃油鍋爐適用。

2 爐膽傳熱計算結(jié)果

采用方法一對6種熱功率的加熱爐爐膽進行計算，計算結(jié)果見表1。

表1 采用方法一時爐膽出口煙溫的計算結(jié)果

表2 采用方法二時的熱量計算誤差

表3 采用方法三時系數(shù)C的計算結(jié)果

采用方法二，將方法一計算出的爐膛出口煙溫代入方法二中，分別計算出煙氣放熱量和受熱面吸熱量，并用以下公式校驗誤差。

計算結(jié)果見表2。

采用方法三計算爐膛出口煙溫時，如系數(shù)C按推薦的范圍取值，則計算結(jié)果與方法一相差很大。這證明資料中推薦的系數(shù)C的取值范圍并不適合本次設(shè)計的油田加熱爐。為使方法三更好的適合油田加熱爐爐膛出口煙溫的計算，將方法一計算出的爐膛出口煙溫代入方法三中，分別計算出系數(shù)C的數(shù)值，計算結(jié)果見表3。

將系數(shù)C和加熱爐熱功率和的關(guān)系繪成圖線，見圖1。

圖1 加熱爐熱功率與系數(shù)C的關(guān)系

采用方法三計算爐膛出口煙溫時，可從圖1中查取對應(yīng)功率下系數(shù)C的推薦值，從而使計算結(jié)果接近方法一。應(yīng)用方法三計算爐膛出口煙溫較為簡便，參數(shù)較少，不失為一種較好的爐膛出口煙溫計算方法。

3 各計算方法分析比較

方法一是最常用的爐膛出口煙溫計算方法，實踐證明，本方法計算出來的出口煙溫較好的與實際出口煙溫相吻合。

用方法二計算爐膛出口煙溫時，350 kW、1 250 kW和1 600 kW加熱爐的計算結(jié)果與方法一接近，但820 kW、2 800 kW、4 000 kW加熱爐的計算結(jié)果與方法一相差較大。計算誤差在20%左右且為負值，說明方法二計算出的爐膛出口煙溫低于方法一。

用方法三計算爐膛出口煙溫時，如采用文獻中推薦的C值，則計算誤差很大。這說明文獻中推薦的C值并不適合本文結(jié)構(gòu)的油田加熱爐。應(yīng)用方法三計算爐膛出口煙溫時，可從圖1中查取對應(yīng)功率下的C值，從而使計算誤差很小。

臥式內(nèi)燃燃油燃氣鍋爐的爐膽傳熱計算在選用公式時可依照具體情況選用前三個公式中的任何一個。這三個公式的理論基礎(chǔ)都是根據(jù)火焰和爐壁的輻射換熱方程及爐膛熱平衡方程式聯(lián)立后推導(dǎo)出來的，其基礎(chǔ)理論是相同的。而方法一計算較為復(fù)雜，方法二、方法三參數(shù)少且易于求得，運算起來更為方便。

推薦使用公式一，在這個公式中凡是影響輻射熱交換的因素均有確切的表述。系數(shù)M是充分考慮了爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器布置形式、燃料組成等因素提出的爐膛熱力計算中的半經(jīng)驗折算系數(shù)，已經(jīng)過修正，適合燃油燃氣鍋爐的計算。因此，采用此公式計算出來的出口煙溫較好的與實際相符合，較為精確。

而方法三中的系數(shù)要依據(jù)不同的輻射熱交換情況來恰當(dāng)?shù)娜≈?。但這個值的變動范圍很大，很難確切的選取，因此計算不太精確。但對本文結(jié)構(gòu)的加熱爐，可按圖1確定C值，此時用方法三計算較為簡便，且計算結(jié)果也較為精確，是很好的一種方法。

4 結(jié)論

經(jīng)對幾種爐膽傳熱計算方法的比較。建議采用蘇聯(lián)《鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法》的計算公式進行爐膽傳熱計算;也可采用方法三(式4)進行爐膽傳熱計算，對本文結(jié)構(gòu)的加熱爐，式中系數(shù)C可按圖1確定。

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