刘少东1 杨士坤2
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摘 要：我国天然气用量逐年上升。加热炉作为一种天然气场站主要的加热设备，在天然气输送时作用十分重要。为探讨目前常用天然气加热炉的优缺点和选用原则，分析了水套炉、电加热炉、催化红外辐射加热炉和管壳式换热器的原理及特点；总结了常用天然气加热炉的应用与发展；以水套炉为例，建立模型，对加热过程中的热力学参数进行了计算分析；最后预测多功能、智能化、安全性好、成本更低的天然气加热炉将是未来的发展方向。
关键词：天然气 加热炉 水套炉
1 引言
相比传统能源，天然气具有多种优点，在众多领域应用广泛。天然气场站是天然气在输送过程中进行多种工艺处理的场所。由于场站上下游的天然气压力需求往往不同，因此在分输时需要进行降压处理。气体介质经节流降压会产生焦耳-汤姆生效应，使得气体的输送温度急剧下降[1]。当天然气的输送温度接近场站的最低设计温度时，发生事故的风险增加。场站天然气组分中常常含水，温降可能导致天然气中的水汽液化甚至形成固态，对设备造成损伤并影响正常的生产运行[2]。所以当温降达到一定值时需要在天然气场站设置加热装置。本文总结了常用天然气场站加热装置的结构，分析了工作原理，对比了优劣。
2 加热炉的功用
天然气场站一般采用加热炉对天然气进行升温处理，用于防止管道内的水产生固态物质，影响正常生产运行。加热炉利用外部能源作为工作的能量来源。加热炉选用合理可使天然气场站保持安全稳定和经济高效运行。天然气场站的加热炉根据工作原理分为水套炉、电加热炉、红外辐射加热炉和换热器等。
2.1 水套炉
水套炉的结构多为卧式，由壳体、盘管和加热系统组成，加热系统由烟囱、烟管和火筒等组成。水套炉是将燃料燃烧产生的热量通过中间介质传导给被加热介质，使其温度升高的设备[3]。天然气场站水套炉以天然气为燃料，天然气燃烧产生的高温烟气通过烟火管将热量传导给中间介质(水和乙二醇的混合物),中间介质再对流经盘管的天然气进行加热。
传统的水套炉换热效率不高，且结构复杂，运行维护难度大。近年来研究人员在传统水套炉的基础上研发出一种利用相变换热的新型加热炉。天然气燃烧产生的热量使壳体中的液态水沸腾气化，水蒸气将热量传导给盘管，使流经盘管的天然气温度升高。水蒸气在热传递的过程中冷凝，冷凝的液态水在壳体内又被不断加热气化。水在相变过程中发生的热量交换使天然气得到加热升温，利用该原理的加热炉具有更高的加热效率。
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2.2 电加热炉
电加热炉内部设有电加热管，介质进入加热炉后，在环形空间内流动得到加热。天然气电加热炉主要有壳体、测温盲管、换热管和接线腔等组成，天然气电加热炉的发热组件为热电缆，安装于换热管中。天然气电加热炉的壳体为密闭高压容器，天然气流经电加热炉时被加热升温。在换热管内填充导热油，热电缆浸泡在导热油中。热电缆通电时，产生的热量使导热油温度升高，导热油不断将热量传导给换热管，换热管使流经壳体中的天然气加热升温。
2.3 天然气催化红外辐射加热炉
催化红外辐射加热炉催化棉层内部安装电加热丝，电加热管通电时，催化棉层温度升高，当温度超过一定数值时，天然气开始进入催化棉层，与空气以一定比例混合发生无焰燃烧反应。天然气无焰燃烧反应不天然气催化燃烧分为扩散催化燃烧、预混贫燃催化燃烧和预混辐射催化燃烧。天然气加热炉的燃烧类型一般为扩散催化燃烧和预混辐射催化燃烧。燃烧产生的能量大部分转化为波长3—8微米，具有较高能量的红外射线对介质进行加热。
发生热量交换的冷热介质中，流经管束的称为管程流体，在壳体内流动的称为壳程流体。一般在壳体内部安装挡板用来提高壳程流体的传热效率。挡板能使壳程流体的流速增加，引导流体以固定的路径横向流过管束，使流体保持湍流流态。换热管一般在管板上规律分布，换热管分布越紧密，壳程流体越容易保持湍流流态，换热效率越高。
3 不同天然气加热炉的对比
天然气加热炉的特点不同，应用条件也不同。目前最常用的三种天然气加热炉水套炉、电加热炉和催化式红外加热炉的各项技术经济指标不同。水套炉应用范围较大，但设备本身采购维护成本较高；电加热炉设备成本较低，但应用范围较小；催化式红外加热炉具有更高的换热效率，是一种较理想的天然气加热装置。在实际生产中，不同环境条件和生产条件适用的设备类型不同，天然气加热炉的设备选型要充分考虑外部条件对设备各项性能指标的具体要求。
4结论
天然气场站加热炉的设备性能和工作状态直接影响正常生产，天然气加热炉种类较多，在设备选型时要充分考虑气质组分、压力需求、环境条件和预算投资等，同时需考虑在加热过程中气体介质的热力学变化，不断调试出最佳的设备工作参数。通过对几种常见天然气场站加热炉的分析对比可以预测，一方面，未来天然气场站必将向更加智能化、安全化方向发展，功能更多、操作更便捷和安全性更好的新型天然气加热炉将取代功能单一、运行维护复杂的传统加热炉；另一方面，未来加热炉将向着生产成本更低、应用环境更广。
参考文献
[1]?田贯三，江亿，马一太，等.焦耳-汤姆逊效应对压缩天然气应用影响的分析[C]中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议.中国工程热物理学会，2001.
[2]?朱利凯.天然气处理与加工[M].北京：石油工业出版社，1997.
[3]?李清方，张国忠，徐栋，等.水套炉内火筒传热数值模拟[J].工程热物理学报，2008,29(3):491-493.