湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算
第40卷 第4期 石 油 化 工 设 备 Vo l 140 N o 14 2011年7月 P ET RO -CH EM ICAL EQ U IPM EN T July 2011
文章编号:1000-7466(2011) 04-0039-03
湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算
毛新章1, 王建江2, 熊 磊1, 于 超3, 袁树礼3
(1. 吐哈油田机动设备管理处, 新疆鄯善 838202; 2. 吐哈油田丘东采油厂,
新疆丘东 838202; 3. 中国石油大学(北京) 机电学院, 北京 102249)
摘要:湿式空冷器在吐哈油田采油厂轻烃及炼化装置中应用广泛, 但在运行中却存在着锈蚀严重、使用寿命短的问题, 其中以吐哈油田丘东厂区湿式空冷器的腐蚀情况最为严重。针对这些问题提出了设计新式干湿联合空冷器的优化方案, 并进行了设计计算和基于计算机辅助的热力校核, 经过
验证可以满足现场要求。
关键词:湿式空冷器; 干湿联合空冷器; 优化设计; 计算机辅助中图分类号:TE 965; TQ 050. 2 文献标志码:B
Optimal Design and Computer -aided Calculation of Wet Air Condensers
MAO Xin -zhang 1, WANG Jian -jiang 2, XIONG Lei 3, YU C hao 3, YUAN Shu -li 3
(1. M echanical Equipments M anag em ent, Tuha Oilfield, Shanshan 838202, China; Oil Productio n Plant, Tuha Oilfield, Qiudong 838202, China;
2. Qiudong
3. College o f Mechanical and
Electronic Eng ineer ing, China University of Petroleum(Beijing) , Beijing 102249, China)
Abstract :T he w et air condensers are w idely applied in light hydr o -carbo n recovery units o f Tu -ha Oilfield. So me typical pr oblem s exist, such as serious corro sion and short ser vice life, espe -cially in the Qiudong refinery. T o reso lve these problems, a new dry -w et air cooler as an optimal design m ethod w as desig ned, the com puter -aided numerical calculatio ns that pr ove the feasibility and pr acticality are provided.
Key words :w et air condenser; dry -w et air condenser; optimal designcomputer -aided
湿式空冷器作为干式空冷器的改进和发展, 综合了空冷和水冷的优点, 在炼化行业得到了越来越广泛的应用。吐哈油田目前共有25台现役湿式空
冷器, 作为有效的冷却设备之一, 这些空冷器在生产工艺流程中承担着重要作用[1~7]。由于吐哈油田地区水质较差, 盐碱含量较高, 加之风沙较大, 导致空冷器结垢的腐蚀严重, 每次检修均需要进行清洗, 从而增加了设备腐蚀速度、资金投入, 降低了设备使用寿命。
针对上述问题, 文中对吐哈油田现有湿式空冷器的运行状况和相关数据进行校核与分析, 在此基础之上进行了优化设计并完成了设计方案的相关计
[8]
算和可行性评价。
1 丘东采油厂湿式空冷器优化方案
目前, 有25台湿式空冷器(表面蒸发型和增湿型两种) 在吐哈油田使用, 主要分布在温米厂区、丘东厂区以及吐鲁番厂区。其中丘东厂区湿式空冷器的腐蚀情况最为严重, 4套表面蒸发式空冷器(丙烷空冷器、凝析油脱丁烷塔顶空冷器、天然气脱丁烷塔表面蒸发式空冷器、混烃脱戊烷塔空冷器) 投入使用不到4a, 由于严重的腐蚀问题而面临报废。
针对丘东采油厂表面蒸发式空冷器的实际应用状况, 采取新型干湿联合空冷器是一个比较理想的
*
收稿日期:2010-02-20
:-男, , ,
#40#
石 油 化 工 设 备 2011年 第40卷
方案[9], 工艺流程如下:流体先进入干式空冷管束进行冷凝和冷却, 然后进入被直接喷淋的湿式空冷管束进行冷却, 携带水雾的空气先进入湿式空冷管束进行(出口温度往往低于环境气温) 冷却, 再进入干式空冷管束, 风机置于干式和湿式管束之间
[10]
3m @3m 的管束, 其迎风面积可能略小于所求的值。因此, 通过增大风量而提高迎风面的风速来弥补, 最终确定风机迎面风速v NF =2. 5m /s 。
(3) 风机选择 计算出风机全风压为2. 46kPa, 选择国产F 型风机。针对丘东采油厂混烃脱戊烷塔顶空冷器的情况, 提出两套方案:¹如不考虑功耗, 建议选用叶轮直径为3. 6m 、转速为318r/min 、叶片角为11b 的风机, 效率最高。º如结合场地的空间、成本和功耗考虑, 建议选用叶轮直径为3. 0m 、转速为382r/min 、叶片角为13b 、功率为30kW 的风机。
(4) 确定翅片管传热系数K c 此时需要核实K c 是否与估算的传热系数接近。如小于估计值, 则需重新估算。经计算, 干式翅片管的传热系数K c =0. 6W/(m 2#K ) 满足设计需求, 可以采用上述设计。
。
在满足散热能力的前提下, 提出增加干式空冷器散热组散热面积、高翅片散热管以及改变送风装置的改进方案。
2 优化设计
[11~18]
以丘东采油厂的混烃脱戊烷塔顶空冷器为例进行优化设计, 以干湿联合空冷器的设计作为优化方案, 设计内容包括其干式部分和湿式部分的设计。
2. 1 干式部分优化设计
以尽可能增大干式部分的传热系数或在场地允许的范围内增大干式部分的传热面积为目的。
(1) 翅片管选择 考虑到干式空冷器高翅片比低翅片的传热效果好, 翅片管采用高翅片。基于管内工艺流体温度的考虑以及各种翅片管的耐温性能, 翅片管选择LL 型。
(2) 估算干式空冷器面积 以空气出口温度t 2为自变量, 分别以翅片管外表面积A c 和光管外表面积A c0为应变量(A c0=bA Fc , A Fc 为翅片管的迎风面积, b 为翅片管的外表面积A c 与迎风面积A Fc 的比值) 。通过做出两个面积与冷空气出口温度的曲线交点对应的面积来作为估算面积, 这样空冷器干式部分的温升也可以确定。出口温度与传热面积关系曲线图见图1
。
2. 2 湿式部分设计
湿式空冷器换热管采用光管。为保证结构上的一致, 湿式部分的管束尺寸以及每排管数的取值和干式部分管束相同。对湿式光管空冷器进行热阻和传热系数的计算, 包括管外传热和管内传热。(1) 计算湿式部分对数平均温差 确定湿式部分管内工质的进出口气温以及管外空气的设计气温。本设计中工质进口温度t 3=70e , 工质出口气温t 4=40e , 空气在干湿空冷器交界处的中间温度t 0=50e 。以设计气温采用/保证率每年不超过5天的气温0为依据, 根据场边环境气温, 选取干球温度t g 0=42e , 湿球温度t s0=30e 。现场测定空气入口气温t 1=45e , 根据上述数据计算光管部分的对数平均温差约为10. 5e 。
(2) 确定光管传热面积A g c 需要做出湿式部分散热裕量$Q g 与光管基面面积A g 的曲线关系图, 从而得出$Q g >0时的光管传热面积A g c 。为保证在一些特殊情况下散热器能够满足管内工艺流体的散热, 空冷器需留有足够的散热裕量, 选择光管基面面积A g 时取值要稍大于A g c , 设计中选取A g U 1. 2A g c 。
2. 3 计算结果
丘东采油厂混烃脱戊烷塔顶空冷器设计参数:产量W L =31t/h, 热流量5=1515. 6kW, 设计压力p c =2. 0M Pa, 风量W air =10810t /h, 喷水量
图1 出口温度与传热面积关系曲线图
从图1可以看出, 当t 2=110e 时, 两直线相交2
2
W water =2t/h, 喷水温度t c =20e 。丘东采油厂混烃脱戊烷塔顶空冷器(新型干湿联合空冷器) 的设计
第4期 毛新章, 等:湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算
表1 混烃脱戊烷空冷器管束设计规格
#41#
项目湿式部分干式部分
管束长度/m 33
管束宽度/m 33
迎风面积/m 2
8. 88. 72
基面面积/m2
12866
管排数126
管程数61
每排管数4646
裕量/kW 84. 71177. 65
规格ª25mm @2mm DR57片间距2. 3
3 计算机辅助热力校核
通过M ATLAB 来实现空冷器热力计算, 依照上述设计思路开发了干湿联合空冷器散热能力计算应用程序(共有9个子程序) 。
干湿联合空冷器的干式部分设计采用了高翅片管, 与低翅片管相比, 高翅片管有较高的传热面积以
干式部分
热交换器名称丙烷空冷器凝析油脱丁烷空冷器天然气脱丁烷空冷器混烃脱戊烷空冷器
热阻/m 2#K #W -10. 002168910. 001858950. 001151310. 00166811
散热裕量/
kW 177. 408283. 038422. 830312. 440
及传热系数[5], 其传热能力也有较大的提高。丘东采油厂各新型干湿联合空冷器散热能力的校核结果见表2。从表2中可以看出, ¹干式部分的散热能力明显加强, 可以达到吐哈油田丘东采油厂对设备散热能力的要求标准。º减少了湿式部分的面积, 也使工业用水腐蚀设备的现象大为减少。»以夏季极端气候计算, 能够满足使用要求。
湿式部分
热阻/m 2#K #W -10. 002543170. 002475530. 001800370. 00242373
散热裕量/
kW 102. 447666. 870269. 810847. 090
管外/kPa 0. 961. 538. 422. 26
阻力损失
管内/kPa 41. 3934. 34515. 3439. 45
表2 丘东采油厂空冷器散热能力校核结果
4 结语
丘东采油厂湿式空冷器最大的问题不是散热问题, 而是散热负荷分配比例不合适, 导致散热主要集中于湿式空冷部分, 致使大量水蒸气形成, 进而造成设备腐蚀, 设备寿命明显缩短。
通过文中优化设计方案和校核计算可以知道:¹通过设计可以加强干式部分的散热能力, 降低湿式部分的散热能力, 降低腐蚀程度。º该联合空冷器采用干、湿冷管束组合布置, 构架、平台均可统一考虑, 可以节约钢材, 降低成本。»新型方案采用同一组风机提供风量, 能够有效地提高风机的效率, 减少能耗。
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