油田联合站换热器性能检测与热经济性评价

油田联合站换热器性能检测与热经济性评价
邓寿禄1 王贵生1 黄学义2
【摘要】摘要基于换热器性能的现场检测，对换热器主要性能指标进行了计算，分析了换热器的能量利用、换热系数和换热能力利用情况，指出了换热器的换热能力利用不足，有待进一步提高。

通过对换热器的热经济性评价，计算了换热器的主要经济指标，并对计算结果进行了分析，结果表明加热炉耗用的原油燃料价格越高，联合站用热技术改造项目获得的经济效益越大，结论指出本次热经济性评价表明该项目的技术改造经济可行。

【期刊名称】石油工业技术监督
【年(卷),期】2011(027)002
【总页数】4
【关键词】关键词油田联合站换热器性能检测热经济性评价
根据油田燃料结构调整计划，胜利油田对部分联合站供用热系统进行了技术改造。

原有的联合站脱水加热和外输加热是以加热炉耗用原油直接加热为主，这次技术改造要求，利用社区燃煤锅炉供热取代加热炉直接加热，社区燃煤锅炉供给的蒸汽或热水通过联合站汽-液换热器和液-液换热器对油水混合物或原油进行加热。

为评价改造后换热器的传热性能和经济效果，对投产后的联合站换热器进行了性能检测与热经济性评价。

这次性能检测与热经济性评价的换热器包括坨一站、坨六站、孤二联、孤三联、孤六联等6个联合站投产使用的换热器，其中坨一站为汽-液螺旋板式换热器，其余均为液-液螺旋板式换热器。

1 换热器性能检测
换热器是热力系统的关键设备之一，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，
要求换热器各项性能指标运行良好。

作为新投产的换热器，为了评价其投产后的各项经济指标，必须依靠换热器的性能检测，采集现场运行数据，综合分析其运行状况，评价其性能的优劣。

换热器性能检测采用现场在线检测，在检测过程中换热器保持正常的运行状态。

检测使用仪器包括便携式超声波流量计、在线流量计、测厚仪、温度计、压力表、远红外测温仪、含水分析仪。

检测项目包括换热器高温侧介质流量、进出口温度、进出口压力，换热器低温侧介质流量、进出口温度、进出口压力、原油含水率，换热器外表面温度。

1.1 换热器性能指标
换热器性能指标主要包括传热系数、传热效率、热容量比、传热单元数。

1.1.1 传热系数
式中K─传热系数，W/(m2·℃)；
mh、mc─热、冷流体的质量流量，kg/h；
cph、cpc─热、冷流体的定压比热容，kJ/(kg·℃)；
T1、t1─热、冷流体的进口温度，℃；
T2、t2─热、冷流体的出口温度，℃。

A─传热面积，m2；
Δtm─对数平均传热温差，℃。

1.1.2 传热效率
换热器传热效率是指实际传热量与最大可能传热量之比值，用ε表示。

逆流时，当(mcp)h较小时：
当(mcp)c较小时：
式中ε─传热效率。

1.1.3 热容量比
换热器的热容量比就是指热流体和冷流体热容量流率的比值，即
式中C─热容量比；
Cc─冷流体的热容量；
Ch─热流体的热容量。

1.1.4 传热单元数NTU[1]
传热单元数是表示换热器换热能力大小的一个无量纲的准则，是一个反映换热器综合技术经济性能的指标。

式中NTU─传热单元数；
Cmin─换热器冷热热容量中较小的热容量。

1.2 换热器性能检测测算数据(表1）
1.3 换热器性能检测结果分析
1.3.1 能量利用方面
由于换热器为热量交换设备，故通过考察其高温、低温侧的热平衡情况，可以反映其热能利用与损失情况。

当剔除仪器误差、测试中的读数误差等各种因素的影响外，热平衡相对误差大致反映了换热器在进行热量交换的过程中，所损失的热量（主要为散热损失）占换热量的百分比。

一般地，热平衡误差越大，表明热量损失越大。

从表1可见，所测试的换热器其热平衡误差在2.80%～18.75%之间，其中坨一站的热平衡误差最大为18.75%，亦即是说在高温侧（高温蒸汽）所传递的热量中，仅有81.25%的热量被低温侧(原油)所吸收利用。

1.3.2 换热系数
测试的换热器为螺旋板式换热器。

由于螺旋板式换热器本身的结构特点，其具有高传热系数等优点。

但是，从表1的测试结果来看，传热系数最大值不超过600 W/(m2·℃)，相对来说偏小。

由于螺旋板式换热器中每种流体均为单通道，且有离心力作用，湍流程度高，因此还具有不易结垢和堵塞的优点。

因此，其换热系数受工况影响较大，特别是流速的影响。

测试中高温、低温侧的流体速度均低于0.5m/s，使得换热器中流场特性偏离额定工况较远，这是导致换热器换热系数偏底的主要原因。

1.3.3 换热能力利用情况
传热效率指实际传热量与最大理论传热量之比值，它表征换热器换热能力的利用情况。

传热效率越高，表明换热器换热能力的利用率高，反之，则表明换热器换热能力的利用率低。

从表1的测试结果可见，所测试的换热器的换热能力利用不足（除坨六站传热效率为73.33%外，其他换热器传热效率均低于40%）。

从传热效率的计算式可见，传热效率主要由原油进出口温差（t2－t1）及高温热水（或蒸汽）温度与原油进口温度之差（T1－t1）所确定。

由于目前所供热水温度多为100℃以上，原油进口温度多为50℃左右，而由于在联合站原油处理工艺过程所需要加热的温度一般多为60～70℃左右，因此，使得换热器的传热效率偏低，即换热能力没能充分利用。

此外，从对数平均换热温差均大于15℃情况，亦可看到换热器尚有较大的潜力可利用。

但从表1中的传热单元数计算结果来看，除了孤二联的换热器传热单元数为4.62外，其它值均大于5，说明对于联合站目前的换热工艺流程，提高传热效率的作用已不大。

2 换热器热经济性评价[2]
2.1 换热器本身的一般技术经济性能的评价指标
2.1.1 传热经济因数
式中h─每1℃温差下，每元投资的年传热量，kJ/（元·a·℃）；
N─年运行小时数（一般运行时间为7 200h），h/a；
K─总传热系数，kJ/（m2·h·℃）；
I─单位换热面积的投资（包括运输、安装、保温费用），元/m2。

2.1.2 功耗因数
式中L─每1℃温差，每传递单位热量的流动功，
kW/（kJ·℃）；V─流量，m3/h；ΔP─压降，MPa；F─传热面积，m2。

2.2 换热器在经济寿命年限内传递单位热量的平均费用
式中c─换热器在经济寿命年限内传递单位热量的平均费用，元/MJ；
Cf─流动火用单价，元/MJ；
Op─其它操作费用（包括清洗费、大修折旧费、维修费及工资管理费等的总和占一次投资的比率），%；
β0─换热器基本折旧费，%。

其中
式中m─换热器的经济寿命，a；
n─一次投资年利率（按4.6%计），%；
r─达到经济寿命年限后，换热器残值占原值分数。

2.3 换热器回收热量的经济效益
式中b─换热器回收热量的经济效益，元/MJ；
v″─换热器回收热量所代替加热炉耗能（原油）的价值，元/MJ；
v′─社区锅炉（耗煤）供给热的价值，元/MJ。

其中
式中ε″─换热器输出热量的能级
ε′─换热器输入热量的能级
其中T0─环境温度（一般为15℃），℃；
Tm″─换热器低温侧平均换热温度，℃；
Tm′─换热器高温侧平均换热温度，℃；
Cl″─原油燃料火用单价，元/MJ；
Cl′─煤燃料火用单价，元/MJ；
ηex″─加热炉火用效率（取ηex″=30%），%；
ηex′─社区锅炉火用效率（取ηex′=35%），%。

2.4 经济效益评价
2.4.1 投资利润率
式中φ─投资利润率，元/（元·a）。

2.4.2 投资回收年限
式中τ─投资回收年限，a。

2.5 换热器检测数据和技术参数（表2、表3）
2.6 计算结果（表4）
2.7 换热器经济性评价结果分析
（1）表4中，坨六站3#换热器的传热经济因素最高，为33.57MJ/（元·a·℃），其它均低于30MJ/（元·a·℃），这是由于坨六站3#换热器的传热系数最高，为，
其它换热器均低于此值。

（2）表4中，所测换热器的功耗因素均很小，最高只有0.008 2kW/(kJ·℃)，如果适当增加功耗因素即增大压降，可使传热系数和传热经济因素有较大增加，总的经济效益将提高。

（3）坨一站1#换热器的平均费用最低，只有0.223元/GJ，主要是由于该换热器的对数平均换热温差最高，为73.6℃，因此，要降低平均费用，可从提高对数平均换热温差着手。

（4）坨六站3#换热器的经济效益最好，为17.19元/GJ，这是由于该换热器输出的热量温位最高，为75.5℃。

可见，换热器高温侧、低温侧的平均换热温度是影响经济效益的主要因素。

从表4中还可看出，平均费用远远小于经济效益，这是由于传热温差大，原油燃料火用单价远远高于煤燃料火用单价，亦原油燃料价格越高，联合站用热技术改造项目获得的经济效益越大。

（5）所有换热器的投资利润率大于250%以上，投资回收年限不到半年，说明该项目的技术改造经济可行。

3 结论
（1）换热器能量利用情况一般，其表面散热损失较大，应通过改善表面保温减小散热损失。

（2）所检测换热器的换热系数均不超过600W/，可采取技术手段进一步提高其换热系数，如提高低温侧介质流速，提高换热温差等，改善换热效果。

（3）所检测换热器的换热能力利用不足，有待进一步提高，此说明单台换热器功率偏大，可考虑减少运行换热器数量，提高单台换热器负荷加以解决。

（4）加热炉耗用的原油燃料价格越高，联合站用热技术改造项目获得的经济效
益越大。

（5）本次热经济评价表明该项目的技术改造经济可行。

[参考文献]
[1]B.V.卡里卡,RM戴斯蒙德.工程传热学[M].刘吉萱,译.北京:人民教育出版社,1983.
[2]华贲.从节能角度评价换热器[J].石油化工设备,1985(1):11-18.
[3]韩小良,刘毓骅.换热器传热过程火用分析[C]//第五届全国热力学分析与节能论文集.北京:科学技术出版社,1991:19-24.
邓寿禄（1967～），男，高级工程师，现从事能源检测与利用研究。