管式爐輻射室爐管間距對傳熱效果的影響分析

姚稷天，陸文清，袁道全

（1.洛陽石化工程公司，河南洛陽471003；2.蘇州長光企業發展有限公司，江蘇蘇州215008）

管式爐輻射室爐管間距對傳熱效果的影響分析

姚稷天1，陸文清2，袁道全2

（1.洛陽石化工程公司，河南洛陽471003；2.蘇州長光企業發展有限公司，江蘇蘇州215008）

概述了鍋爐、導熱油爐、煉油廠管式爐爐管排列情況，分析煉油廠管式爐爐管排列的特點，并對各種布置方法進行比較，指出了導熱油爐爐管排列采用密排間距對傳熱效果的不利影響。

管式加熱爐包括鍋爐、導熱油爐、煉油廠加熱爐等。上述三種可歸納為兩類：①加熱水；②加熱油（氣）。以下對其輻射室排管進行簡介。

1　排管

1.1鍋爐水冷壁排管

鍋爐加熱水，產生不同壓力、溫度的蒸汽進人管網，供系統使用。鍋爐水是不結焦的，但有燒干的危險，在保證不燒干的情況下，鍋爐爐膛熱強度可達很高數值，一般為（30～40）×4.18×104kJ/m3，是導熱油爐、煉油廠加熱爐的4～5倍。鍋爐中的爐管受熱以直接接受輻射傳熱為主，排管多是爐內四壁布滿爐管，稱冷水壁結構，其管間距很小，S/d約1.25～1.1以下，爐墻由原爐架支撐爐墻排在水冷壁上，水冷壁管在上聯箱處吊掛，自身向下膨脹。近期由于水冷壁節距很小，采用將水冷壁焊接起來的膜式水冷壁，可使爐膛密封較好，減少漏風、減輕爐墻厚度與重量，爐膛緊揍、節能、熱損失少。

1.2導熱油爐密排爐管

目前導熱油爐有盤管爐、圓筒爐、立管式單面輻射雙層排管圓筒爐等爐型。采用火炬式火焰加熱爐管。由于導熱油加熱的溫度低，輻射爐管表面熱強度受到限制，熱強度過高會引起介質結焦與縮短爐管壽命。爐管管程2～8程，采用盤管爐各管程長度不完全相等，出口溫度各程有微小差異。導熱油爐爐管間隙很小，幾乎為零，稱“密排”。單面輻射雙排管，高溫煙氣經雙層管間隙流出，第二排也能吸收一點熱量。

1.3煉油廠加熱爐疏排爐管

煉油廠管式加熱爐有近百年歷史，從20世紀60年代開發大慶油田后，管式加熱爐全面應用與推廣，至今全國各省各煉油廠總共已有2 000多臺不同爐型、不同功能的管式加熱爐。國內外煉油廠管式爐輻射室無論火嘴是頂燒、底燒或側燒，爐管管心距均為2d，稱“疏排”。對流爐管管心距視采用的擴面管（釘頭管、翅片管等）而定。連接爐管均有定型標準彎頭、彎管，管徑Φ60～273 mm，管長12～18 m，管材為碳鋼、鉻鑰鋼、18-8、高合金不銹鋼（HK，HP～Nb）等等，要求壓降小的大負荷爐子，如重整加熱爐，采用正U型或倒U型爐管，壓降小，負荷小的爐子，也采用盤管形圓筒爐結構。

2　生產規模與傳熱能力

上述三種通過管子加熱的爐子，以鍋爐、導熱油爐爐管排列間距相近，導熱油爐與煉油廠管式爐的加熱介質相近。石油已成為我國國民發展的支柱產業，各煉油廠要靠管式爐來加熱油品，靠換熱器遠遠達不到加熱所需溫度，各煉油裝置少不了管式爐。管式爐是煉油廠主要大型設備之一，爐規模從每臺幾百萬千卡到數千萬千卡，甚至上億千卡，一臺爐子造價從幾百萬人民幣到幾千萬或上億元不等。我國煉廠管式爐型與性能已達到并超過世界先進水平。

鍋爐的爐膛體積僅僅是限于完成燃燒作用而已。而導熱油爐、煉油廠加熱爐爐膛體積和壁表面積有關，而輻射室壁表面積與輻射室壁敷管率有關。由于它們爐管表面熱強度較低，就需要有較大的壁表面積，需要有較大的爐膛體積。煉油廠管式爐的傳熱能力隨煉油裝置需要也不相同，但通過生產實踐表明，煉油廠管式爐，輻射一對流型管式爐兩室熱量分配比一般為7：3，大負荷管式爐當采用高效燃燒器時，熱量分配比可達7.5：2.5，再加上有好的余熱回收設備，可使爐子熱效率提高更多，最好的達到η= 90%～92%。而導熱油爐，輻射與對流熱量分配比為6：4，輻射室吸收的熱量不如煉油廠管式爐多，傳熱能力有所差別，爐管排列與間距大小影響其傳熱效果。

3　煉油廠管式爐輻射爐管疏排設計

3.1管式爐的傳熱特點

燃料燃燒后形成火焰，并向四周輻射出熱能，其中一部分輻射能被爐管吸收轉化為熱能通過管壁傳給油品，另一部分輻射能射到爐墻上，通過磚墻再輻射一部分又被爐管吸收傳遞給油品，另一部分則被煙氣吸收后帶走進人對流室，對流爐管的排列使煙氣有較高的流動和攪動，獲得較好的對流傳熱效果。

火焰、煙氣、輻射墻對爐管起著輻射傳熱作用，高溫煙氣沖刷爐管對爐管起著對流傳熱作用，爐管金屬壁起著熱傳導作用，把熱量傳到內壁及介質，所以輻射、對流和熱傳導三種基本傳熱方式都有，在不同部位各有一種或數種傳熱方式起著作用。

3.2輻射室的傳熱

3.2.1輻射室傳熱及影響

若單排管的后面有反射墻，則總輻射能除一部分落在管子表面上之外，將有一部分穿過管間空隙到達反射墻，這一部分輻射能應等于總輻射能減去落在管排表面上的輻射能。假設總輻射能為1，直接輻射落在管排上的輻射能為qd，則到達反射墻的能量為1-qd，由反射墻反射出來的能量中，也只有一部分落在管排表面上，大小為qr，則qr=（1-qd）×qd，其余的則通過管間的空隙。因此，爐管吸熱一是直接煙氣的輻射，二是通過爐墻的反射（再輻射）。當管心距和管徑變化時，這兩部熱量就要變化，管心距越大，直接接受煙氣的輻射熱就越少，爐管吸收的總熱量也越少；管徑越大，直接接受煙氣的輻射熱和吸收的總熱量也越多。輻射爐膛傳熱情況見圖1。

圖1　輻射爐膛傳熱圖

3.2.2有效吸收因素α

火焰及高溫煙氣產生的熱輻射只有一部分能到達管子表面上，其余部分則從管子間隙通過，但從火焰和高溫煙氣發生的輻射能中有多少落在管排表面上，就出現了一個求火焰及煙氣對管排的角系數問題，也稱管排有效吸收因素α。而落到管排表面上的輻射能并不一定等于管排表面吸收的輻射能。若管排表面的吸收率等于1，則兩者相等，否則兩者不等，吸收率越小，表示管排吸收的輻射能越少。

另外，由于氣體輻射有體積輻射的特點，輻射能不可能全部落在管排所占據的爐墻面積（稱冷平面ACP）上，因為冷平面能夠接受火焰及煙氣輻射來的全部能量，而管排只能接受其中α的那一部分能量，即管排接受輻射能的能力大小等于火焰及煙氣對管排的角系數乘以冷平面的面積，即αACP，顯然角系數與管心距和管徑有密切關系。常用管心距和管徑的比值表示它們對輻射傳熱的影響，如圖2所示。

圖2　單排管與雙排管的管排有效吸收因素α圖

圖2中圖線說明見表1。

表1　圖2中各曲線的說明

單排輻射管和雙排輻射管的角系數用管心距與管徑的比值來表示，角系數不僅與管心距有關，而且還與管中心到磚墻的距離有關，從圖2可知，對輻射能的傳遞是包括直接輻射和磚墻的反射兩部分。

（1）對單面輻射的單排管（A工況）

當管心距與管徑的比值增加時，對單排管的傳熱能力減少，如圖2中II、IV所示。

（2）對單面輻射雙排管（C工況）

當管心距小于2d時，傳給雙排管的總能量差不多無太大變化，如圖2中Ⅰ、Ⅵ所示，當管心距再增加時，則傳熱能力開始下降。至于傳給第二排管的熱量直至S=3d為止，也是不斷增高的，此后即稍微降低。當管心距增加很大時，傳給第一排管的總熱量很快降低。在煉油廠管式爐管心距采用S=2d時，從表2、表3可知，單排管K=0.883，雙排管K=0.977（此時第一排K=0.686，第二排K=0.291），由此可看出，單面輻射時，單排管遠較雙排管有效。

在各種受熱情況下，當管心距改變時，管排的有效吸收因素可由圖2查出。

在實際應用圖2時，僅考慮管心距也就可以了。

3.2.3輻射室傳熱中不可忽視的對流傳熱

輻射室的總傳熱量QR包括輻射傳熱QRr和對流傳熱QRC兩部分，如下式：

輻射室傳熱在爐子總熱量的中占很大比例，輻射室中對流傳熱占輻射室總熱量的10%～15%，長期采用系列定型節能燃燒器也起到一定作用，輻射傳熱與爐膛絕對溫度的四次方成正比。爐膛溫度指煙氣離開輻射室進人對流室的溫度，通稱tp溫度。tp高，輻射管受熱大，反應出輻射室內好的傳熱效果。石化煉廠管式爐輻射室采用C=2d的疏排間距，爐管受熱相對合理，對流傳熱充分利用，使輻射爐膛發揮輻射的作用，熱分配比最小可達7：3（輻射室7，對流室3）。長時間能獲取更多熱量，可提高爐子熱效率，比爐膛體積增大后一次性提高造價要劃算的多。

石化管式爐正在研發爐用高效燃燒器，對輻射爐膛進行強化傳熱，加強火焰、高溫煙氣在輻射室的充分擾動，可強化輻射室中的對流傳熱，使對流傳熱系數可達11.35～14.19 W/（m2·℃），還可降低爐膛軸向傳熱的不均勻系數，形成均勻的輻射流場，提高了焰煙的初始噴射速度與煙氣流速，使爐管表面平均熱強度大幅度提高，使爐管最高熱強度不因此而相應上升，從而不產生局部過熱影響爐管壽命與操作周期。

總之，輻射室中的傳熱是比較復雜的，由于煙氣劇烈攪動，在不斷地掃過輻射管表面的同時，也以對流方式把一小部分熱量傳給爐管，所以總的交換因素包括燃料燃燒放出的熱量通過輻射和對流兩種方式傳給爐管，火焰只起輻射作用，高溫煙氣除了輻射作用外，還進行對流傳熱。

3.3輻射傳熱的不均勻性

由于火焰、高溫煙氣、爐管的相對位置不同，傳給爐管各部分熱量和傳給各根爐管的熱量不相等。且由于爐管各段內部介質溫度不同，既使外界條件相同，其傳熱量也會有很大差異，但爐管受熱的不均勻性主要還是由于輻射傳熱引起，其對比見表4。

表2　單排爐管熱吸收特性（管心距C=2d）

表3　雙排爐管熱吸收特性（管心距C=2d）

3.3.1沿爐管圓周方向傳熱的不均勻性

（1）四種工況

A工況：單排管—面輻射—面反射的熱吸收率

單排管中沿管子圓周熱強度的圖解法見圖3，如將圓周分成12等分，若正對輻射面的點的輻射率為1，則其他各點的輻射率都小于1，見圖4（a）。單排管—面輻射—面反射時，爐管向火面比背火面吸收的熱量要大，單排管單面輻射熱吸收特性見表2。

表4　沿爐管圓周方向受熱不均勻性比較（管心距C=2d）

圖3　單排管中沿管子周圍熱強度的圖解法

圖4　單管排中管子圓周的熱強度分布圖

圖2中求取直接輻射、反射輻射時的熱強度：

如圖3所示，按管子外徑D和管心距C的精確比例畫出幾根管子，強度最大的直接熱輻射作用在管子的點O1上，例如管1的O1，這一點的輻射不受管子本身上其它的點和旁邊的工作的遮蔽。故射人輻射熱的夾角為180。。在點O1的切線上取任意一點A1，以O1為圓心，O1A1為半徑畫半圓，則點O1的熱強度等于180。的的投影線A1B1，A1B1為半圓的直徑，取其長度作為熱強度單位，令其為1，并且在管1的熱強度分布圖上面O1F1線，使O1F1=A1B1=1。

點O4的直接輻射熱完全被遮蔽，其熱強度為0。

求點O2熱強度的方法，示于管2上。點O2被其圓周本身和旁邊管子遮蔽了一部分輻射面，射人輻射熱的夾角為∠A2O2C2，系由點O2的切線A2O2和點O2到旁邊管3的切線O2E2相交所得。以直徑A2B2=A1B1作半圓，則A2C2熱強度。在管1的熱強度分布圖上用O2F2線表示。同樣，點O3的熱強度如管3所示，系由點O3的切線A3O3和點O3到管4的切線O3E3組成的夾角為∠A3O3E3所確定。A3C3影A3D3即為點O3的熱強度。在管1的熱強度分布圖上用O3F3線表示。

在管1上聯接F1、F2、F3……即為管子受直接輻射時，圓周上熱強度的變化曲線。

反射輻射的管排有效面積率的求法和直接輻射時相同。但由于反射面在輻射面的對面，相當于轉了180。，參見圖4（a）可知點7相當于點1；點6、點8相當于點2（或點12），余類推。另外，由于反射輻射的強度為qr=1-qd，式中qd為直接輻射時總有效輻射中被爐管吸收的那部分熱量，故點7的熱強度可由點1的熱強度乘以qr而得。例如由表2中知道，管排在直接輻射時所吸收的熱量qd=0.658=管排有效面積率，則得qr=1-0.658=0.342。故反射輻射點7的熱強度相當于點1的熱強度乘以0.342，即1×0.342= 0.342。同樣，點6的熱強度為0.918×0.342=0.315，余類推。

B工況：單排管雙面輻射的熱吸收率

求出單排管—面輻射—面反射的熱吸收率后，即可按相應各點的數值求出單排管雙面輻射的熱吸收特性，見表2，其熱強度分布見圖4（b）。

C工況：雙排管—面輻射—面反射的熱吸收率

雙排管—面輻射—面反射，第二排沿管子圓周熱強度的圖解法見圖5，雙排管—面輻射—面反射時，前排和后排中沿圓周的熱強度分布情況見圖6，各點熱吸收特性見表3。

圖5　雙排管第二排中沿管子圓周熱強度的圖解法

圖5中第二排爐管各點直接輻射率求法：

a）由O點向第一排管作切線OC、OD、OE、OF

b）以O點為圓心，任意作圓交OC、OD、OE、CF于A、G、H、K

c）由A、G、H、K向AB直線作垂線GM、HN、KP

其余各點求法相同。

圖6中前排點5：（1-0.658-0.196）×0.168=0.025—反射率

圖6中后排點5：（1-0.658-0.196）×0.676=0.099—反射率

其余各點以此類推。

D工況：雙排管雙面輻射的熱吸收率

求出雙排管的前排和后排的熱吸收率后，即可用同樣方法求出雙排管雙面輻射的熱吸收率，其各點輻射率見表3。沿圓周的熱強度分布見圖7。

圖6　雙排管單面輻射時前排和后排管中沿圓周的熱強度分布圖

圖7　雙排管雙面輻射時沿圓周的熱強度分布圖

（2）對表4中A、B、C、D四種工況分析比較

a）A→B單面輻射單排管（A）與雙面輻射單排管（B）

（A）見火面與不見火面熱強度差異大，在金屬內部引起溫度應力，高壓作業時要特別考慮。（B）比（A）傳熱均勻，管子表面利用率最高達83.8%，因而管子用量少，但是雙面輻射、爐膛大、爐子體積大、型鋼等材料用量多，只有在爐管昂貴時才采用，（B）所吸收的總熱量比（A）約大20%。

b）A→C單面輻射單排管（A）與單面輻射雙排管（C）

為清楚起見，將四種工況平均每根爐管的熱利用率對比于下（C=2d）

A單面輻射單排管1

B雙面輻射單排管1.49

C單面輻射雙排管0.554

D雙面輻射雙排管0.97

若假定每根單面輻射單排管吸收熱量為1時，則（C）僅為（A）的55.4%，雖然（C）采用了雙排管子，數量增加了一倍，但吸熱量只增加了2×0.554= 0.108，所以煉油廠管式爐設計中（C）很少用。

c）A→D單面輻射單排管（A）與雙面輻射雙排管（D）

兩者傳熱幾乎一樣，不能誤認為（D）比（A）優越。（D）每排管子所受的熱量與直接輻射時傳給第一排及第二排的熱量相同（表3），即各等于0.658及0.196，因此K=2（0.658+0.196）=1.708，這樣一來，（D）和（A）管子數量相同時，具有相同的吸熱能力。大負荷不宜采用圓筒爐的管式爐選用（D）在方箱爐爐膛中排管較經濟。

d）C→D單面輻射雙排管（C）與雙面輻射雙排管（D）

（C）的表面利用率最低，僅為31.15%，而（D）所吸收的熱量比（C）約大40%～50%，設計中多用（D），而不用（C）。

e）B→C雙面輻射單排管（B）與單面輻射雙排管（C）

（B）爐管兩向火面為吸收熱量相等，受熱情況最好，一根（B）管子使用時相當于（C）管子的1.49/ 0.554=2.7（根），（B）是解決爐管圓周受熱不均勻性最好辦法。

其他工況如加大管心距，采用扁圓管也有一定效果，不過煉油廠很少用，只有在爐管很貴的化工裝置才采用這些措施以減少管材用量。

從表4可看出四種加熱情況下哪種最合理，哪種最不合理。

3.3.2沿爐管長度方向的不均勻性

爐管最近火焰的部分比遠離火焰部分受輻射熱要大，火焰與爐管垂直時不均勻性小，平行時不均勻性較大。采用頂部設輻射錐、分層加熱、選用階梯爐型，減少圓筒爐高徑比，采用無焰燃燒與選用增加輻射室對流傳熱的高效燃燒器等等都是解決沿長度方向不均勻系數的措施，石化管式爐沿管長不均勻系數（最大/平均）為1.2～1.5。

3.3.3各爐管之間的受熱不均勻性

由于各根爐管與火焰的相對位置不同，受熱也不相同，克服辦法是采用圓筒爐，使爐管沿爐墻成圓形排列，采用斜頂爐、減少爐膛內死角。

3.4管心距的確定

管心距的變化導致爐管熱流率的變化，見表5。

表5　不同管心距時有效吸收因素α的比較

當管心距增大時，其有效吸收因素減少，這和圖2所示工況是吻合的。管徑一定時，當管心距增加時，傳熱能力減少，當管心距小于兩倍管徑時，幾乎無太大的變化，若增大管心距則傳熱能從S=2d起開始降低，傳給第二排管子的熱量也是隨管心距增大，先增高，后降低。當管心距增大時，傳給第一排管子總熱量也很快降低，所以煉油廠管式爐國內外管心距都規定等于兩倍的爐管公稱直徑。一直都規定等于兩倍的爐管公稱直徑（已列人國內外加熱爐規范），保持有效吸收因素在較高范圍內。

4　結語

導熱油爐輻射爐管采用密排結構，可使爐體結構尺寸減小，降低建設投資，但爐管間互相遮蔽，爐管傳熱時，表面利用率下降，如雙排管單面輻射，在S=2d時吸熱量就太少，爐管圓周受熱差，爐管表面利用率僅為31.15%，減少了吸熱量。若爐管密排，吸熱量更少。煉油廠管式爐采用S=2d的疏排結構，可使向著爐墻那邊的爐管獲得較大的熱流率，增加輻射傳熱量。雖爐體變大，投資增加，但長期的熱量回收比短期建設投出省的多。

［1］錢家麟，于遵宏，李文輝，等.管式加熱爐［M］.2版.北京：中國石化出版社，2013.

［2］阿杰利松.煉油廠管式爐的構造和工藝計算［M］.北京：石油工業出版社，1956.

［3］燃化部石化規劃設計院.管式加熱爐工藝計算［M］.北京：石油工業出版社，1979.

Analysis of Effect of Furnace Tube Spacing of Tube Furnace Radiant Tube on Heat Transfer Effectiveness

YAO Jitian1，LU Wenqing2，YUAN Daoquan2
（1.Luoyang Petrochemical Engineering Company，Luoyang 471003，China；2.Suzhou Changguang Enterprise Development Co.，Ltd，Suzhou 215008，China）

The furnace tubes arrangement situations of the boilers，heat-conducting oil furnace and oil refinery tube furnace are summarized，the arrangement characteristics of oil refinery tube furnace are analyzed，and the comparison of various layout methods are carried out.It points out the negative influence of furnace tube close spacing on heat transfer effectiveness in the heat conduction oil furnace.

tube furnace；tube pitch；choice

TK175

A

1001-6988（2016）03-0027-07

2016-02-26

姚櫻天（1937—），男，高級工程師，長期從事石化煉廠加熱爐設計工作.

關聯詞：管式爐；管心距；選擇