加热炉与换热器培训资料全

加热炉及换热器
培
训
讲
义
2011年4月
目录
第一部分加热炉基本知识 (3)
一、概述 (3)
二、管式加热炉的主要技术参数 (3)
三、油田用加热炉的炉型及表示方法 (4)
四、管式加热炉设计的基础数据 (5)
五、加热炉热效率测试方法 (6)
六、提高加热炉热效率的措施 (6)
七、加热炉的吹灰控制 (9)
第二部分管式直接加热炉简介 (10)
一、管式直接加热炉的原理、性能特点、遵守的标准规及应用 (10)
二、管式直接加热炉结构形式及特点 (11)
三、管式加热炉的运行与操作 (14)
四、管式加热炉故障处理 (17)
五、管式加热炉的维护与保养 (19)
第三部分水套加热炉简介 (21)
一、水套加热炉的工艺原理、性能特点及遵守的标准规 (21)
二、水套加热炉结构形式描述 (22)
三、水套加热炉运行注意事项 (23)
五、U形管式换热器简介 (24)
一、U形管式换热器的结构特点、设计规及型号表示 (24)
二、换热器的维护和检修 (26)
第一部分加热炉基本知识
一、概述
油田和长输管线加热炉(以下简称油田加热炉)系指用火焰加热原油、天然气、水及其混合物等介质的专用设备，是油、气生产和输送中广泛使用的设备。

在油、气田的集油站、集气站和联合站等站(库)，加热炉对原油、井产物、生产用水和天然气等介质进行加热，以满足油气集输处理工艺的要求。

在原油和天然气长输管道中，通过加热炉对原油和天然气进行加热，以满足原油和天然气长距离输送的要求。

应该指出，油气田和长输管线用加热炉，其对介质进行加热所要求达到的温度都不高，一般只几十度，且介质无化学变化，这是与石油炼制、石油化工所用加热炉不同之点。

二、管式加热炉的主要技术参数
1、热负荷
单位时间向炉管被加热介质传递热量的能力称为热负荷，一般用KW表示。

它表示加热炉生产能力的大小。

2、热效率
加热炉输出有效热量与供给热量之比的百分数叫热效率。

它表示向炉子提供的能量被
有效利用的程度，可用公式表示为η=被加热介质吸收的有效能量/ 供给炉子的能量。

热效率是衡量燃料消耗、评价炉子设计和操作水平的重要指标。

早期加热炉的热效率只有
60%～70%，最近已达到85%～88%，最新的技术水平已接近92%左右。

3、炉膛体积发热强度
燃料燃烧的总发热量除以炉膛体积，称之为炉膛体积发热强度，简称为体积热强度，
它表示单位体积的炉膛在单位时间燃料燃烧所发出的热量，一般用KW/m3为单位。

炉膛大小对燃料燃烧的稳定性有较大影响，如果炉膛体积过小，则燃烧的空间不够，火焰
容易舔烧炉管，炉膛温度也高，不利于长周期安全运行。

因此，炉膛体积热强度不允许过
大，一般控制在燃油时小于125 KW/m3，燃气时小于165KW/m3。

4、辐射表面热强度
辐射炉管每单位表面积在单位时间所传递的热量称之为炉管的辐射表面热强度，单位
常为W/m2。

它表示辐射炉管传热强度的大小，与管介质的特性、流速、炉管材质、炉管尺
寸、炉管的排列方式等因素有关。

5、对流表面热强度
含义同辐射热强度一样，单位也为W/m2，但它是对对流室而言。

对流表面热强度是根据管和管外的各种数据计算出来的，与对流传热系数的关系较大。

管外：烟气流速越大，
外膜传热系数越高；对流平均烟气温度越高，外膜传热系数也越高；对流管外径越小，外
膜传热系数也越高。

管：介质的流速越大，膜传热系数越高；介质的粘度越小，膜传热系
数也越高。

当管为液体，控制总传热系数的主要因素还是管外条件，管条件影响不大。

6、火墙温度（炉膛温度）
指烟气离开辐射室进入对流室时的温度，它表征炉膛烟气温度的高低，是加热炉操作
中的重要指标。

火墙温度高，说明辐射室传热强度大。

但火墙温度过高，则意味着火焰太猛烈，容易
烧坏炉管、管板等。

此外，进入对流室的烟气温度也会越高，对流炉管也容易烧坏。

从保
证加热炉长周期安全运转考虑，一般加热炉将这个温度控制在850℃以下。

7、管流速
流体在炉管的流速越低，则边界层越厚，传热系数越小，管壁温度越高，介质在炉停
留的时间也越长。

其结果，介质越容易结焦，炉管越容易损坏。

但流速太高又会增加炉管
的压降，增加了系统管路的动力消耗。

在设计加热炉时，应在经济合理的围力求提高流速。

三、油田用加热炉的炉型及表示方法
油田和长输管线用的加热炉型式主要按基本结构、被加热介质种类和燃料种类进行分
类：
1）按基本结构分可分为两大类，即火简式加热炉和管式加热炉。

管式直接加热炉（立式圆筒、卧式圆筒、卧式异形）、火筒式加热炉（火筒式直接加热炉、火筒式间接加热炉）两大类。

2）按被加热介质的种类可分为：原油加热炉、井产物加热炉、生产用水加热炉、天
然气加热炉。

3）按燃料种类可分为：燃气加热炉、燃油加热炉、燃油燃气加热炉。

另外，按照加热炉中被加热介质的加热方式可分为：直接加热炉（含管式直接加热炉、火筒加热炉）和间接加热炉（热媒间接加热炉、水套加热炉、真空加热炉）。

4）油田加热炉的型号
油田加热炉产品型号由三部分组成，各部分之间用短横线相连。

型号的第一部分表示加热炉的基本结构型式和额定热负荷，共分两段：第一段用汉语
拼音字母代表加热炉的基本结构型式，见表1；第二段用阿拉伯数字表示加热炉的额定热负荷为若干千瓦。

两段连续书写，相互衔接。

型号的第二部分分为两段，其间以斜线相隔。

第一段用汉语拼音字母代表被加热介质
的种类，见表2；第二段用阿拉伯数字表示盘管或炉管设计压力为若干Mpa；火筒式直接加热炉第二段不表示。

型号的第三部分由两段组成：第一段用汉语拼音字母代表燃料种类，见表3；第二段用阿拉伯数字表示设计次序，第一次设计不表示。

两段连续书写，相互衔接。

表1 加热炉的基本结构形式代号
表2被加热介质代号表3燃料种类代号
四、管式加热炉设计的基础数据
进行管式加热炉设计前，需具备以下基础数据和资料：
加热炉热负荷大小；
加热炉设计压力（指炉管）或操作压力；
操作介质的理化性质：密度、粘度、组分、比热容、热导率等；
操作介质的流量、出入口条件——温度、压力、汽化率等；
加热炉的热效率；
加热炉的允许压降；
燃料种类——燃料气、燃料油或油气混烧，烧油时的雾化剂种类等；
燃料性质：组成、密度、粘度、热值、温度、压力等，烧油时还应有雾化剂的性质如
温度和压力等；混烧时液体燃料和气体燃料的比例等；
生产和检修的特殊要求；
气象和地质资料，如环境温度、风力、地震、场土地等；
环境保护、职业安全及其它要求等。

五、加热炉热效率测试方法
管式加热炉热效率的测定有标定测定和操作测定两种。

标定测定时应对正、反平衡式
所涉及的各参数都进行准确的测量，由于工作量大又比较麻烦，因此，只有评价某台加热
炉或为获得设计数据时才采用。

而操作测定则比较简单，它只测量反平衡计算式中涉及的
各参数，一般只对烟气离开体系时的组成和温度进行分析和测量，用反平衡法计算出热效
率或用连续测定仪直接显示出热效率，以作为调节操作参数的依据。

正平衡法：热效率η=热负荷/燃料发热量x100%
反平衡法：热效率η=（1-各种热损失热量/燃料发热量）x100%
计算热效率用反平衡法准确性相对较大些，另外，测点也比较方便，故现在采用较多。

目前，国管式加热炉常用的热效率测试仪中分析烟气成分的仪表有：氧化锆测氧仪、磁导
式氧分析仪和二氧化碳测定仪。

在分析烟气时，用氧分析仪较二氧化碳分析仪要好些。

六、提高加热炉热效率的措施
措施一：降低排烟温度。

排烟损失在管式炉的热损失中占有极大比例，一般情况下排烟温度每升高17～20℃，加热炉的热效率约下降1%左右。

当加热炉热效率较高（如90%）时，排烟损失占总损失的70%～80%，当加热炉热效率较低（如70%）时，排烟损失占总损失的比例高达90%以上，
因此，降低排烟温度是提高加热炉热效率的主要措施。

（中石化在加热炉运行管理规定中
也明确要求最终排烟温度一般应不大于170℃。

）
降低排烟温度的主要措施有以下几种：
1）减小末端温差，即减小排烟温度与被加热介质入对流室温度之差。

以前末端温差
一般在150～200℃，现在末端温差取50～100℃比较适宜。

2）将需要加热的低温介质引入对流室
有些炼油装置如常减压装置，可以把管式炉的对流段作为换热器，加入换热流程中
一并优化，将一部分冷油料引入对流室末端，而将另一部分需要换热的热油品用来预热空
气。

这就是常讲的冷进料—热油预热空气的节能方案。

3）除灰除垢，以保证管式炉长期在高热效率下运转
不完全燃烧产生的炭粒和燃料中的灰分等烟尘均会污染对流室炉管的外表面，增加热
阻，降低传热效果。

随着积灰的增加，排烟温度迅速上升，热效率显著下降。

为了保证管
式炉长期在较高的热效率下运转，必须坚持用吹灰器定期清除积灰。

燃料油燃烧后，盐分会沉积在炉管外表面，特别是辐射室炉管外表面，这与积灰一样
会增加热阻，降低传热效果。

随着积盐的增加，火墙温度增加，排烟温度也随之增加，热
效率下降。

所不同的是积盐比积灰更难清除。

目前，没有太有效的方法清除，根本的办法
是减少燃料中的含盐量，即要求原油脱盐达标。

4）采用空气预热器以预热空气
采用空气预热器由烟气直接预热空气的优点是它自成体系，不受工艺流程的约束。

在
管式炉其他参数不变的情况下，空气预热温度每提高20℃左右，加热炉热效率约提高1%。

值得指出的是，随着空气温度的提高，燃烧产物中的NOX增加，另外，空气温度过高，还
可能引起燃油喷头结焦或燃烧器过大的变形等问题。

一般空气预热温度不宜超过300℃。

用烟气预热空气是管式加热炉回收烟气余热，提高热效率的主要方法，也是最常用的
方法。

从理论上讲，排烟温度可以降到接近环境温度，这时可以获得最高的热效率，但在工
程实际上是不可能的，因为排烟温度的降低要受经济和技术两方面的限制。

随着排烟温度
的降低，烟气余热回收系统的末端温差越来越小，传热效果也越来越差，回收余热的换热
面积也就越来越大，一次投资迅速增加，因此必须根据经济评价确定一个经济合理的余热
回收末端温差。

降低排烟温度在技术方面主要受烟气露点的限制。

余热回收换热面的温度必须高于烟
气的露点温度。

否则换热面将受到露点腐蚀而损坏。

另外，换热面在露点下积的灰将是“粘灰”。

粘灰是很难清除的。

这种粘灰越积越多，烟气侧的阻力迅速增加，甚至使余热回收
系统难以操作而被迫停运。

措施之二：降低过剩空气系数以减少排烟热损失
管式炉是靠燃料燃烧供给热量的。

在工业炉中，燃料不可能在化学平衡的空气量（理
论空气量）下完全燃烧的，总是要在有一定过剩空气量的条件下才能完全燃烧。

燃烧所用
的实际空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数。

一般炼油管式炉正常的过剩空气系数
在烧气时为 1.05～1.15，烧油时为 1.15～1.25。

在实际操作中，如果过剩空气量增加，
排烟时大量的过剩空气将热量带走排入大气，使排烟热损失增加，热效率降低。

由于过剩
的空气是在排烟温度下排入大气的，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量就越多，对
热效率的影响也就越大。

在不同排烟温度下过剩空气系数每增加0.1，过剩空气系数太大不仅使热效率降低，还有其他有害之处，例如加速炉管和炉构件的氧化，增加对流室、提
高SO2向SO3的转化率从而加剧低温露点腐蚀等。

降低过剩空气系数的方法有：
1）选用性能良好的燃烧器以及加强燃烧器的维修
2）在操作中管好三门一板（风门、气门、油门和烟囱挡板）
3）封堵漏风
炼油管式炉几乎都是负压操作的，如果看火门、人孔门、弯头箱门等关闭不严或炉墙
有泄露之处。

从这些地方漏入炉的空气一般都不参与燃烧而白白带走热量。

平常通俗讲，
针眼的孔，斗大的风。

不能轻视堵漏问题，据国外资料介绍对一台29.26MW的加热炉，在辐射段炉底每平方英尺（930cm2）漏缝即可导致2832m3/h的空气漏入，使过剩空气率增加8%，并使加热炉热效率下降1%。

从另一角度讲，折合一下即 4 cm2漏缝即可导致12.2m3/h 的空气漏入，这样的空气漏入量够1kg燃料油在过剩空气系数为 1.2时燃烧所用空气量。

4）完善监测控制系统
根据对烟气含氧监测控制加热炉的抽力和进风量是炼厂传统作法。

但是，由于加热炉
漏风的影响，烟气中的含氧量可能增高甚多，因此，认为单独或主要依靠烟气含氧分析进
行加热炉的进风控制是不够完善的。

措施三：减少不完全燃烧损失
由于不完全燃烧而造成的化学热损失，一方面降低热效率，另外造成大气污染。

机械
不完全燃烧产生的炭粒还会造成对流室炉管表面积灰，影响传热效果。

减少不完全燃烧损失的措施首先是选用性能良好的燃烧器并精心维护。

目前加热炉不
完全燃烧损失一般都较少，为6%左右。

措施四：减少散热损失
管式炉外壁以辐射和对流两种方式向大气散热。

散热量与炉外壁温度、环境温度和风
速等有关。

当壁温度一定时，炉墙材质、结构和尺寸也一定时，环境温度下降，炉外壁温
度也降低，实际温差变化不大，散热损失变化也不大。

同样，环境风速增加，外壁温度也
降低，但对流传热系数增加，因此散热量变化也不大。

也就是说，环境温度和风速对炉外
壁温度影响较大，而对散热损失虽然有影响，但是影响并不大。

目前新建的炼油管式炉的热损失并不大，一般仅占炉子总供热量的 1.5～3%。

但对于已经使用多年，炉墙已有损坏的炉子，及时修补炉墙对减少散热损失，提高热效率却是很
有必要的。

用表面热流计，我曾经测试过几台旧的加热炉，最高的表面散热损失为6%左右措施五：强化对流段
增大对流段热负荷占加热炉总负荷的比重，可以降低辐射段的操作强度和排烟温度，
因之缓和了加热炉热效率对过剩空气系数的敏感性，提高了加热炉热效率和扩大加热炉能
力。

增强加热炉对流段的能力，除了在工艺流程上采用冷进料等措施外，在设备方面常用
的措施如下：
1）扩大对流段换热面积首先考虑利用对流段的预留或多余空间增加管排数目。

用翅片管或钉头管代替原来的光管。

2）加强清灰.
措施六：使用辐射涂料强化辐射传热
使用碳化硅辐射涂料涂抹在炉壁上是石油加热炉的一项新的节能技术，起特点是简
单、易行，不消耗动力。

日本在这方面应用较多。

措施七：改进燃烧器
七、加热炉的吹灰控制
燃料在加热炉中燃烧时不但释放热量，与此同时将生成烟气和灰尘。

灰尘中的细小灰
粒随烟气逸出炉膛，其中一部分将以各种形式沉积在随后的对流受热面上。

受热面上的积
灰与结渣增加了受热面的传热热阻，因而使加热炉效率降低，增加烟气流动阻力，加热炉
的排烟温度升高，甚至积灰影响到加热炉的出力与安全运行。

为此，油田用加热炉常用温岭的WQD-Ⅱ型气动旋转式吹灰器进行吹灰。

它是利用压缩空气对加热炉灰尘进行吹灰的自动脉冲喷气旋转式吹灰设备，与控制器配套使用。

其原理
为控制器按吹灰参数设定程序将压缩空气从吹灰管喷嘴中以一系列的持续高压空气脉冲
喷出，持续时间约2秒。

在每次喷气中，吹灰管借助于吹灰机中的棘轮机构进行转动，使
炉的灰尘全部吹掉。

吹灰时间、吹灰次数、启动方式均可调整，吹灰半径 1.2m，气源压力0.5～1.0Mpa。

注意：在长时间停炉不使用吹灰机时，应该每周至少开动一次。

第二部分管式直接加热炉简介
一、管式直接加热炉的原理、性能特点、遵守的标准规及应用
管式直接加热炉采用被加热介质直接受火加热的方式，被加热介质在炉管流动，燃料
在加热炉炉膛燃烧，产生高温烟气。

高温烟气在辐射室炉膛通过辐射传热将热量传给辐射
段炉管的被加热介质和在对流室通过对流传热将烟气中的热量传递给对流段炉管的被加
热介质，将被加热介质加热到所要求的温度后，烟气通过烟囱排入大气中。

被加热介质在
炉管长周期连续运行，不间断操作（特殊要求可实现间断操作），可实现仪表监测、人工控制或自动化仪表监控运行。

管式加热炉技术性能特点：
结构合理紧凑，传热效率高，露天布置，全天候运行。

使用操作简单，运行费用低。

优选热工工艺方案，采用多项节能技术，热效率设定适当，热负荷小于4MW，热效率η≥85%，热负荷大于4MW，热效率η≥90%。

结构布置与热工参数确定合理，传热均匀，确保管介质物性不受损伤，炉管使用寿命
长。

具有成熟的抗低温露点腐蚀，延长加热炉尾部受热面的使用寿命。

安全自控技术先进可靠。

管式直接加热炉在设计、制造、检验、安装、使用、修理及改造等必须遵循的主要法
规和规如下：
SY0031-2004 《石油工业用加热炉安全规程》
SY/T0538-2004 《管式加热炉规》
SY/T0540-94 《石油工业加热炉型式与基本参数》
SY/T0404-98 《加热炉工程施工及验收规》
GB9948-1988 《石油裂化用无缝钢管》
GB50017-2003 《钢结构设计规》
JB4730-2005 《压力容无损检测》
GB13271-2001 《锅炉大气污染物排放标准》
管式直接加热炉热功率围300KW～6000KW。

广泛应用于长输管道原油加热、油田油气集输、轻烃回收、原油稳定、分子筛再生气加热、罐区及管网伴热、以及化工工艺气加热
等生产过程，产品遍及石油、石化、化纤、轻工等行业。

二、管式直接加热炉结构形式及特点
1、概述
管式加热炉作为方箱炉、火筒炉的替代产品，已被广泛应用在原油长输管道上。

其主
要特点是高效、快装和自动化程度高。

目前该类型加热炉按结构形式可分成两类。

一类称
之为卧立炉型，其明显特点是辐射室为卧式布置，有圆筒形和八角形两种；对流室为立式
方形结构；若辐射室为圆筒形，则对流室独立坐落在基础上，与辐射室以烟道相连；若辐
射室为八角形，为其配备的对流室则坐落在辐射室后部钢结构上。

另一类称之为立式炉型，这类加热炉为立式结构。

辐射室和对流室叠加布置，一般用于化工厂或炼油厂的装置中，
用于加热工艺介质。

管式加热炉具有实现加热炉全自动运行功能的控制系统和安全附属设备。

具备自动点
火、火焰监测、炉膛吹扫、炉管吹灰、负荷自动调节、炉膛灭火、运行参数监控和与站控
系统通讯等功能。

主要由直接管式加热炉、氮气灭火系统、吹灰供气系统、燃烧系统和仪
表控制系统组成。

各部分均相对独立，单独成撬。

2、加热炉结构形式及特点
管式加热炉为轻型快装卧管式结构，由辐射室、对流室、烟囱、烟囱挡板操纵机构、
对流室梯子平台、转油线、燃烧器等组成。

八角型管式直接加热炉总图如下：
1、燃烧器
2、辐射室
3、对流室
4、梯子平台
5、烟囱
6、烟囱挡板操作机构
7、转油线
辐射室为八角形，辐射炉管沿轴向水平蛇形布置，并沿圆周均匀排列。

形成燃烧场所，被称为炉膛，燃料在此燃烧，产生高温烟气，与辐射炉管的原油进行以辐射为主的换热过
程。

辐射炉管由辐射室前后墙穿出，用无缝弯头连成一体。

辐射室外的炉管和弯头位于辐
射室前后弯头箱，辐射室前、后墙弯头箱采用法兰式连接，便于检修和更换弯头和炉管。

辐射室结构简图
对流室结构简图
对流室为立式矩形结构，座落于辐射室后部，通过法兰连接与辐射室形成一体。

对流炉管采用钉头管强化传热，烟气垂直冲刷错列的对流炉管，实现管原油与烟气对流换热。

由于采用钉头管作为对流炉管，强化了对流传热，因而减小了对流室结构尺寸。

为便于检修对流室，对流室侧墙为活动式，可开启。

弯头箱也采用法兰式连接，便于检修。

对流室结构图如下：
烟囱座落在对流室上部，通过天园地方过渡短节与对流室出口相连。

烟囱设置了烟囱挡板及操纵机构，可通过调节烟囱挡板的开度来调节炉膛的压力，控制燃烧气氛，操作方便可靠。

为便于对加热炉进行日常维护和检修，在辐射室后墙和天园地方上设有人孔，检修人员可进入炉对炉管进行检查和维护。

除此以外，对流炉管和辐射炉管上的弯头均位于炉外的弯头箱，与高温烟气不接触，一方面避免烟气对弯头和焊缝的腐蚀；另一方面弯头位于炉外便于检修和更换炉管，为了避免弯头箱结露现象，在弯头箱法兰间采用浸石墨的石棉编织带密封垫片。

在本加热炉设计中，还在对流室上部设置了操作平台。

为加热炉操作和
维护提供方便。

为了确保管式加热炉的安全运行、延长其使用寿命，在加热炉的设计与制造方面必须
着重考虑加热炉炉体结构尺寸、炉管选型、保温形式等因素。

1）关于炉体结构尺寸。

如果炉膛体积过小，则燃烧的空间不够，火焰容易舔烧炉管，
炉膛温度也高，炉膛体积发热强度也高，不利于加热炉长周期安全运行。

2）关于炉管的选用。

炉管材质应根据管壁温度、设计压力和工作介质合理选用，炉
管采用20#无缝钢管，GB9948，炉管最小壁厚必须符合《管式加热炉规》中的要求。

3）关于对流室中钉头管的制造，必须保证钉头底部有85%以上的面积与炉管金属熔合在一起，否者会影响钉头的使用寿命以及加热炉的热效率。

4）在保温结构设计中，加热炉一般采用复合型保温结构，在不同位置，根据需要采
用适用的保温结构和保温材料。

在全炉保温中基本上是采用轻质保温材料，为硅酸铝耐火
纤维针刺平铺毯、硅酸铝耐火纤维针刺折叠毯或硅酸铝耐火纤维毡。

而燃烧道则采用耐火
浇筑料或耐火成型砖,钉对加热炉人孔或看火视镜过热问题，采用了含锆纤维异形件，其
特点是质地坚硬，抗风蚀强；低蓄热，热损失小，抗热震性强；可直接接触火焰用于耐热
面。

5）全炉除烟囱和梯子平台外均采用保温，可有效阻止炉体散热，采用这种保温结构
处理的加热炉，除炉体上各开口处外，其余部位表面温度在环境温度为25℃和无风条件下，炉体和热烟风道的外表面设计温度均不高于80℃，炉体上的人孔及看火孔等处采用异型模块，其几何尺寸准确、耐压强度高、使用寿命长、热损失少、具有优良的抗震性能等特点。

而对于外保温的加热炉，由于炉体直接受高温烟气的冲刷，炉体表面本身的温度高，容易
发生高温氧化，严重影响加热炉的使用寿命，因此，对于外保温结构的加热炉不推荐使用。

三、管式加热炉的运行与操作
操作管理人员要熟悉加热炉的结构特点及自动控制系统操作特性,掌握操作技能,执行操作规程,操作人员和维修人员必须经过技术培训方可上岗操作。

1、点火前的准备工作
检查燃烧道是否光滑、平整,有无杂物等。

检查压力表、温度计等一次表及执行器件是否清洁完好。

检查炉体及相连管道的保温防护是否完好,人孔门、防爆门、看火视镜等是否完好并关闭。