加氫裝置運行全周期高壓換熱器垢阻計算與應(yīng)用效果

加氫裝置運行全周期高壓換熱器垢阻計算與應(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，跟蹤計算某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器運行３年來的垢阻。計算結(jié)果表明，運行期間高壓換熱器結(jié)垢速率可控，運行末期總垢阻為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算理論，構(gòu)造采用ＡＳＰＥＮ軟件計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算原理和計算方法，并采用ＭＡＴＬＡＢ軟件，計算了該裝置２臺高壓換熱器投入運行后半周期的垢阻。通過比較，確認(rèn)總垢阻趨勢與副線實際開度趨勢相吻合，驗證了計算結(jié)果的可靠性。結(jié)合該計算結(jié)果，提出了將阻垢劑加注濃度由１００ｇgμ/ｇ降低至３５ｇgμ/ｇ，以降低裝置運行成本。但是，受裝置運行時間的限制，文獻(xiàn)［１］并未完成對該高壓換熱器運行一個周期即３年的垢阻跟蹤計算，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算理論，構(gòu)造采用ＡＳＰＥＮ軟件計算換熱器垢阻的方法，探討采用該軟件計算垢阻的可行性與準(zhǔn)確性。
    １?。停粒裕蹋粒萝浖嬎愎缸?br />     １．１　計算結(jié)果
    按文獻(xiàn)［１］介紹的計算原理及方法，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)行跟蹤計算，數(shù)據(jù)選取范圍為自換熱器投入使用直至第一個生產(chǎn)周期結(jié)束，共１?。保埃皞€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，運轉(zhuǎn)５個月后垢阻開始上升，并在隨后的三個月內(nèi)垢阻上升較快。期間垢阻的波動幅度較大，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個月內(nèi)，隨運轉(zhuǎn)時間的不斷增加，垢阻增速較快。投產(chǎn)１０個月后直至該運行周期結(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的計算結(jié)果，運行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)計換熱系數(shù)為４２０．９Ｗ?（ｍ２·Ｋ），截至第１?。埃保疤?，實際總換熱系數(shù)為４１２．６Ｗ?（ｍ２·Ｋ），相對于開工初期的實際總換熱系數(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)計有一條總副線，通過調(diào)整該副線開度，實現(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。截至運行周期結(jié)束，換熱器副線開度已由開工初期的４０％強降至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，運行半年后，該裝置阻垢劑加注濃度降至３５ｇgμ/ｇ，運行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，阻垢劑價格按２．１萬元?ｔ計，則該運行周期節(jié)省注劑費用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，換熱器運行工況良好，能夠滿足裝置長周期運行要求。
    ２?。粒樱校牛诬浖嬎愎缸?br />     ２．１　計算原理與方法
    ＡＳＰＥＮ軟件雖數(shù)據(jù)庫豐富，功能強大，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，該軟件暫時并不具備直接計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)計理論，可根據(jù)該軟件構(gòu)造出相對可靠的垢阻計算方法。
    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），最終計算出實際需要的換熱面積［２］?；谶@一計算過程，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，該工況實際需要的換熱面積將與投用初期一致，因為總傳熱系數(shù)包括了垢阻，只不過初期垢阻為０，末期暫時未知而已。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)的計算公式（１）得到的總傳熱系數(shù)Ｋｑ偏大，從而使計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　兩種軟件計算垢阻比較
    根據(jù)２．１所述原理，構(gòu)造ＡＳＰＥＮ軟件計算換熱器垢阻的方法。采用該方法，在換熱器運行的一個周期內(nèi)，找到三組與投用初期相同的換熱器工況，對三個工況的換熱器垢阻進(jìn)行計算。同時，采用ＭＡＴＬＡＢ軟件對該三個工況的垢阻進(jìn)行計算，并將兩種軟件的計算結(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，兩個換熱器的三組結(jié)果，均為ＡＳＰＥＮ軟件的計算結(jié)果略小于ＭＡＴＬＡＢ軟件的計算結(jié)果，具體原因分析如下：鑒于工業(yè)生產(chǎn)裝置的非實驗性，以及換熱器垢阻生成的不可避免性，運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軟件計算方法存在一定程度的偏差。因為殼程介質(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軟件計算的垢阻值要略小于實際垢阻值，這一計算結(jié)果與實際工況的差別，不是ＡＳＰＥＮ軟件本身的問題，而是實際工況的變化所致。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軟件建立的垢阻計算方法，計算結(jié)果可信。運行３年后換熱器總垢阻為１．２０×１０－３（ｍ２·Ｋ）?Ｗ。
    （２）將垢阻計算結(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