加氫裝置運(yùn)行全周期高壓換熱器垢阻計(jì)算與應(yīng)用效果

加氫裝置運(yùn)行全周期高壓換熱器垢阻計(jì)算與應(yīng)用效果

姚立松，穆海濤

（中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島２６６５００）

 摘　要：采用ＭＡＴＬＡＢ軟件，跟蹤計(jì)算某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器運(yùn)行３年來的垢阻。計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)行期間高壓換熱器結(jié)垢速率可控，運(yùn)行末期總垢阻為１．２×１０－３（ｍ２·Ｋ）?Ｗ。生產(chǎn)中根據(jù)結(jié)垢速率逐漸將阻垢劑加注濃度由１００ｇgμ/ｇ下調(diào)至２５～３５ｇgμ/ｇ，單周期節(jié)約阻垢劑成本約１?。保担谷f元。此外，基于ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器模塊計(jì)算理論，構(gòu)造采用ＡＳＰＥＮ軟件計(jì)算換熱器垢阻的方法。
    關(guān)鍵詞：加氫裝置　高壓換熱器　垢阻　換熱系數(shù)
    文獻(xiàn)［１］中介紹了某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器垢阻的計(jì)算原理和計(jì)算方法，并采用ＭＡＴＬＡＢ軟件，計(jì)算了該裝置２臺高壓換熱器投入運(yùn)行后半周期的垢阻。通過比較，確認(rèn)總垢阻趨勢與副線實(shí)際開度趨勢相吻合，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。結(jié)合該計(jì)算結(jié)果，提出了將阻垢劑加注濃度由１００ｇgμ/ｇ降低至３５ｇgμ/ｇ，以降低裝置運(yùn)行成本。但是，受裝置運(yùn)行時(shí)間的限制，文獻(xiàn)［１］并未完成對該高壓換熱器運(yùn)行一個(gè)周期即３年的垢阻跟蹤計(jì)算，因此，無法完全確認(rèn)該阻垢劑加注濃度下調(diào)的長周期效果。因此，本課題接續(xù)文獻(xiàn)［１］的工作，跟蹤計(jì)算了３年來該裝置高壓換熱器垢阻，以確認(rèn)該加注濃度的有效性。此外，基于ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器模塊計(jì)算理論，構(gòu)造采用ＡＳＰＥＮ軟件計(jì)算換熱器垢阻的方法，探討采用該軟件計(jì)算垢阻的可行性與準(zhǔn)確性。
    １　ＭＡＴＬＡＢ軟件計(jì)算垢阻
    １．１　計(jì)算結(jié)果
    按文獻(xiàn)［１］介紹的計(jì)算原理及方法，對某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器Ａ和Ｂ的垢阻分別進(jìn)行跟蹤計(jì)算，數(shù)據(jù)選取范圍為自換熱器投入使用直至第一個(gè)生產(chǎn)周期結(jié)束，共１?。保埃皞€(gè)生產(chǎn)日，期間每１５天取一組數(shù)據(jù)。高壓換熱器Ａ和Ｂ的垢阻趨勢分別見圖１和圖２。

            
    從圖１可以看出：高壓換熱器Ａ在開工初期基本未發(fā)生結(jié)垢，運(yùn)轉(zhuǎn)５個(gè)月后垢阻開始上升，并在隨后的三個(gè)月內(nèi)垢阻上升較快。期間垢阻的波動(dòng)幅度較大，主要原因在于裝置生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整較熱器副線開度等均變化不大。自此直至該運(yùn)行周期結(jié)束，換熱器垢阻在平緩態(tài)勢中呈微漲趨勢。從圖２可以看出：高壓換熱器Ｂ在開工初期即產(chǎn)生了一定的垢阻，此后９個(gè)月內(nèi)，隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的不斷增加，垢阻增速較快。投產(chǎn)１０個(gè)月后直至該運(yùn)行周期結(jié)束，裝置工況趨于穩(wěn)定，調(diào)整幅度不大，垢阻在平緩態(tài)勢中呈微漲趨勢。
    結(jié)合高壓換熱器Ａ及高壓換熱器Ｂ的計(jì)算結(jié)果，運(yùn)行３年后高壓換熱器Ａ、Ｂ的總垢阻為１．２０×１０－３（ｍ２·Ｋ）?Ｗ。高壓換熱器Ａ、Ｂ的總設(shè)計(jì)換熱系數(shù)為４２０．９Ｗ?（ｍ２·Ｋ），截至第１?。埃保疤?，實(shí)際總換熱系數(shù)為４１２．６Ｗ?（ｍ２·Ｋ），相對于開工初期的實(shí)際總換熱系數(shù)４７２．４Ｗ?（ｍ２·Ｋ），下降了５９．８Ｗ?（ｍ２·Ｋ）。需要指出的是：開工初期裝置處理量僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的８４％，而末期處理量達(dá)到了１１０％。
    １．２　結(jié)垢狀況確認(rèn)
    ２臺高壓換熱器殼程設(shè)計(jì)有一條總副線，通過調(diào)整該副線開度，實(shí)現(xiàn)對換熱器管程總出口溫度的控制。高壓換熱器副線閥開度的變化在一定程度上能夠反映換熱器的結(jié)垢程度。因此，為進(jìn)一步確認(rèn)高壓換熱器結(jié)垢狀況，給出了２臺高壓換熱器的總垢阻與副線開度的趨勢，見圖３。從圖３可以看出，隨著總垢阻的不斷增加，換熱器副線開度逐漸降低。截至運(yùn)行周期結(jié)束，換熱器副線開度已由開工初期的４０％強(qiáng)降至５％左右。而且，副線開度的變化趨勢與垢阻變化趨勢呈現(xiàn)出一定的對應(yīng)關(guān)系，說明垢阻計(jì)算結(jié)果可信。

              
    １．３　阻垢劑加注情況
    該裝置采用加注阻垢劑的方式，延緩高壓換熱器結(jié)垢。根據(jù)高壓換熱器垢阻計(jì)算數(shù)據(jù)，對阻垢劑加注濃度進(jìn)行了調(diào)整，在確保高壓換熱器結(jié)垢狀況可控的前提下，適當(dāng)降低阻垢劑用量。裝置開工初期，根據(jù)設(shè)計(jì)方要求，加注濃度初步定為１００ｇgμ/ｇ，此后，根據(jù)高壓換熱器結(jié)垢狀況，逐漸下調(diào)加注濃度，運(yùn)行半年后，該裝置阻垢劑加注濃度降至３５ｇgμ/ｇ，運(yùn)行２年后，阻垢劑加注濃度降至２５ｇgμ/ｇ。與開工初期相比，阻垢劑月消耗量平均降低了１５．３ｔ，阻垢劑價(jià)格按２．１萬元?ｔ計(jì)，則該運(yùn)行周期節(jié)省注劑費(fèi)用１?。保担谷f元。而且，從換熱器結(jié)垢狀況以及副線開度來看，在該阻垢劑加注濃度下，換熱器運(yùn)行工況良好，能夠滿足裝置長周期運(yùn)行要求。
    ２?。粒樱校牛诬浖?jì)算垢阻
    ２．１　計(jì)算原理與方法
    ＡＳＰＥＮ軟件雖數(shù)據(jù)庫豐富，功能強(qiáng)大，但鑒于換熱器垢阻形成機(jī)理、形成速率的復(fù)雜性與多變性，該軟件暫時(shí)并不具備直接計(jì)算換熱器垢阻的能力。但根據(jù)換熱器熱量衡算、傳熱膜系數(shù)方程及ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器模塊設(shè)計(jì)理論，可根據(jù)該軟件構(gòu)造出相對可靠的垢阻計(jì)算方法。
    在ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器嚴(yán)格法核算中，垢阻的數(shù)值是需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為給定的。在給定該值之后，軟件將根據(jù)換熱器幾何尺寸、冷熱物流流量、溫度，計(jì)算出物料物性、總熱負(fù)荷、幾何溫差、總傳熱系數(shù)（包括了給定的垢阻值），最終計(jì)算出實(shí)際需要的換熱面積［２］?；谶@一計(jì)算過程，可以考慮，鑒于換熱器幾何尺寸不變，如果能夠找到與投用初期相同的換熱器工況，即找到物料流量相同、溫度相同的工況，那么，該工況實(shí)際需要的換熱面積將與投用初期一致，因?yàn)榭倐鳠嵯禂?shù)包括了垢阻，只不過初期垢阻為０，末期暫時(shí)未知而已。在末期垢阻存在的情況下，如果人為給定的垢阻數(shù)值仍為０或過小，根據(jù)總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式（１）得到的總傳熱系數(shù)Ｋｑ偏大，從而使計(jì)算出的所需換熱面積小于初期的換熱面積。通過調(diào)整垢阻數(shù)值達(dá)到換熱面積一致的過程，即可得到末期換熱器垢阻數(shù)值。

            
    ２．２　兩種軟件計(jì)算垢阻比較
    根據(jù)２．１所述原理，構(gòu)造ＡＳＰＥＮ軟件計(jì)算換熱器垢阻的方法。采用該方法，在換熱器運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)，找到三組與投用初期相同的換熱器工況，對三個(gè)工況的換熱器垢阻進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，采用ＭＡＴＬＡＢ軟件對該三個(gè)工況的垢阻進(jìn)行計(jì)算，并將兩種軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖４和圖５。從圖４和圖５可以看出，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果都證明高壓換熱器已形成一定垢阻，且結(jié)果相接近，都能夠在一定程度上反映出換熱器結(jié)垢程度。但是，兩個(gè)換熱器的三組結(jié)果，均為ＡＳＰＥＮ軟件的計(jì)算結(jié)果略小于ＭＡＴＬＡＢ軟件的計(jì)算結(jié)果，具體原因分析如下：鑒于工業(yè)生產(chǎn)裝置的非實(shí)驗(yàn)性，以及換熱器垢阻生成的不可避免性，運(yùn)行后期換熱器副線開度必然要小于投產(chǎn)初期。即在相同的物料流量下，末期換熱器殼程介質(zhì)流量要高于初期，管程可保持一致。這種情況將造成所構(gòu)造的ＡＳＰＥＮ軟件計(jì)算方法存在一定程度的偏差。因?yàn)闅こ探橘|(zhì)流量的增加，將造成殼程傳熱膜系數(shù)的增大，從而使得理論傳熱系數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致一小部分實(shí)際產(chǎn)生的垢阻值被抵消，也就是說，在末期換熱器副線關(guān)小的情形下，采用ＡＳＰＥＮ軟件計(jì)算的垢阻值要略小于實(shí)際垢阻值，這一計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況的差別，不是ＡＳＰＥＮ軟件本身的問題，而是實(shí)際工況的變化所致。如果生產(chǎn)裝置允許將換熱器副線開度調(diào)整至與初期一致，則該計(jì)算方法將相當(dāng)準(zhǔn)確。

          
           
    ３　結(jié)　論   
    （１）采用ＭＡＴＬＡＢ軟件建立的垢阻計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果可信。運(yùn)行３年后換熱器總垢阻為１．２０×１０－３（ｍ２·Ｋ）?Ｗ。
    （２）將垢阻計(jì)算結(jié)果用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，阻垢劑加注濃度由１００ｇgμ/ｇ下調(diào)至２５～３５ｇgμ/ｇ，單周期節(jié)約阻垢劑成本約１１５９萬元。
    （３）在實(shí)際工況還原為與初期工況完全一致的前提下，采用ＡＳＰＥＮ軟件建立的垢阻計(jì)算方法具有嚴(yán)格的準(zhǔn)確性。
參考文獻(xiàn)
［１］姚立松，穆海濤，戴天林，等．加氫裂化裝置高壓換熱器垢阻計(jì)算與應(yīng)用［Ｊ］．石油煉制與化工，２０１０，４１（１２）：２４－２７
［２］屈一新．化工過程數(shù)值模擬及軟件［Ｍ］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，２００６：１８－２１