基于HTRI對變換蒸汽過熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹真真，王現(xiàn)利，王亞樂

(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453731)

煤化工項(xiàng)目變換裝置第一變換爐(R1501)內(nèi)反應(yīng)熱通過副產(chǎn)S40級(jí)中壓過熱蒸汽(壓力為4.2 MPa，溫度為398 ℃)及預(yù)熱變換爐進(jìn)口原料氣的方式回收，第二變換爐(R1502)反應(yīng)熱通過副產(chǎn)次中壓蒸汽或低壓蒸汽的方式回收。在不同時(shí)期建設(shè)的變換裝置中，熱量回收在原有流程基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，結(jié)合老裝置實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在新建變換裝置設(shè)計(jì)過程中，利用HTRI軟件對蒸汽過熱器(E1502)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以滿足裝置運(yùn)行期間的不同操作工況，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程對比

1.1 1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程

1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程為變換裝置副產(chǎn)蒸汽的傳統(tǒng)流程(見圖1)，整體流程為變換氣與鍋爐給水呈全逆流形式換熱，中壓鍋爐給水經(jīng)過逐級(jí)提溫，在E1502出口提溫至S40級(jí)的過熱蒸汽。其中R1502因采用的是傳統(tǒng)變換爐，CO反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較低，其出口氣體熱量主要用于預(yù)熱變換系統(tǒng)冷凝液及高壓鍋爐給水，剩余熱量則通過副產(chǎn)S05級(jí)的低壓蒸汽(壓力為0.52～0.53 MPa，溫度為165 ℃)消耗。

圖1 1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程

1.2 2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程

2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程(見圖2)在1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)。首先，從R1501出口的變換氣按照45∶55的體積比分為兩路，分別用于副產(chǎn)過熱蒸汽及預(yù)熱R1501進(jìn)口變換氣。其次，R1502采用等溫變換技術(shù)，其CO的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相對于傳統(tǒng)變換爐來說提高了1.27倍，反應(yīng)生成熱也會(huì)相應(yīng)提高，與R1502配套的汽包中通過副產(chǎn)2.7 MPa的次中壓蒸汽來回收熱量。

圖2 2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程

1.3 對比分析

2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程中，R1501出口分為兩路進(jìn)入E1501及E1502，此種方式可以增大E1501的傳熱溫差，使得在同等換熱負(fù)荷下可以適當(dāng)減小換熱器的面積，減少設(shè)備投資。

2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程中，R1502因采用等溫變換爐，變換反應(yīng)熱通過副產(chǎn)次中壓蒸汽進(jìn)行熱量回收，1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程中R1502出口溫度為295.5 ℃，熱值低，通過加熱變換凝液及預(yù)熱去鍋爐脫鹽水的方式回收熱量。

1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽與2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程運(yùn)行參數(shù)對比見表1。由表1可以看出：2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程在副產(chǎn)S40級(jí)過熱蒸汽、S05飽和蒸汽的同時(shí)，副產(chǎn)2.7 MPa次中壓飽和蒸汽23 379 kg/h，熱量回收方式更加經(jīng)濟(jì)。

表1 1#與2#變換裝置流程運(yùn)行參數(shù)對比

根據(jù)1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，變換副產(chǎn)S40蒸汽運(yùn)行過程中催化劑活性逐漸下降，催化劑運(yùn)行后期R1501出口溫度會(huì)逐步降低(目前最低降至410 ℃)，直接影響S40級(jí)蒸汽的過熱溫度，且在實(shí)際運(yùn)行過程中，為回收高品質(zhì)的S40級(jí)蒸汽并降低E1503出口變換氣的運(yùn)行溫度，將會(huì)對S40級(jí)蒸汽進(jìn)行降壓操作。因此，E1502換熱面積不僅需要滿足正常運(yùn)行工況，而且需要滿足R1501催化劑運(yùn)行后期出口溫度較低時(shí)、過熱蒸汽壓力較低時(shí)過熱器蒸汽出口溫度在400 ℃以上的工藝需求。

2 HTRI設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前，在國內(nèi)化工裝置設(shè)計(jì)過程中，換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算所依賴的計(jì)算機(jī)軟件主要有2款，分別為美國傳質(zhì)及換熱協(xié)會(huì)研發(fā)的HTRI軟件[1]和基于ASPEN軟件基礎(chǔ)上的EDR換熱器計(jì)算軟件，兩者在換熱器設(shè)計(jì)市場中的應(yīng)用均比較廣泛。筆者利用HTRI軟件，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)值，對E1502進(jìn)行校核優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 設(shè)計(jì)工況

1#、2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程的E1502運(yùn)行參數(shù)見表2。初始設(shè)計(jì)中，1#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程與2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程在過熱蒸汽產(chǎn)汽質(zhì)量流量相差5.22 t/h的情況下，換熱面積相同，初步認(rèn)為2#新建變換裝置中E1502設(shè)備換熱面積偏小，故結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程中的E1502在4種工況下對設(shè)備進(jìn)行校核驗(yàn)算。4種工況分別為：工況一為表2中2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程；工況二為在工況一基礎(chǔ)上，E1502副產(chǎn)過熱蒸汽壓力為3.4 MPa；工況三為在工況一基礎(chǔ)上，R1501出口溫度為410 ℃；工況四為在工況一的基礎(chǔ)上，E1502副產(chǎn)過熱蒸汽壓力為3.4 MPa、R1501出口溫度為410 ℃。

表2 1#與2#變換裝置副產(chǎn)蒸汽流程E1502運(yùn)行參數(shù)對比

2.2 換熱器參數(shù)方案

根據(jù)初始換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)及場地平面布局，選定2個(gè)換熱器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核計(jì)算：方案一為BEU型換熱器，內(nèi)徑為1 300 mm，換熱管參數(shù)為Φ25 mm×2 mm×3 500 mm；方案二為BEU型換熱器，內(nèi)徑為1 300 mm，換熱管參數(shù)Φ25 mm×2 mm×4 000 mm。

2.3 輸入?yún)?shù)及結(jié)果分析

(1)在HTRI管殼式換熱器模型中直接輸入E1502工況一條件下的冷熱物流參數(shù)，包括物料的流量、壓力、氣化率、污垢熱阻等參數(shù)。其中，因變換氣體為多種組分的混合物，其物性參數(shù)需要從文獻(xiàn)或工藝包中獲得，或者通過ASPEN工藝流程模擬軟件中得到。利用軟件間的導(dǎo)入接口將物性數(shù)據(jù)從ASPEN中導(dǎo)入HTRI，從而保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，導(dǎo)入的物性數(shù)據(jù)主要有介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、熱容、黏度等(見圖1)。

圖1 物性數(shù)據(jù)導(dǎo)入HTRI后對話框

(2)輸入換熱器的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過調(diào)整管束布局、管束與殼程間距、擋板等參數(shù)使其滿足國標(biāo)要求(見圖2、圖3)，最終輸出不同工況下?lián)Q熱器面積余量及壓降。依據(jù)4種操作工況及2種換熱器方案不同組合方式，得出表3中不同工況的校核結(jié)果。

圖2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對話框

圖3 換熱器管束間隙調(diào)整對話框

表3 不同工況校核結(jié)果

換熱器的校核計(jì)算輸出結(jié)果中[2]，除了需要換熱面積余量、管程壓降、殼程壓降滿足設(shè)計(jì)要求外，還要對換熱器管束的振動(dòng)情況、熱阻分布、管殼程介質(zhì)流速、殼程流體的折流板管孔與管子間的泄漏流路比例A、流體流經(jīng)折流板缺口處的錯(cuò)流流路比例B等流體通過比例進(jìn)行分析，保證換熱器計(jì)算結(jié)果無振動(dòng)[3]、錯(cuò)流流路比例分析值B在0.6以上(見圖4)。

圖4 結(jié)果輸出對話框

經(jīng)查《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》[4]可知，換熱器的面積余量在15%以上時(shí)為合格，根據(jù)表3分析可知，換熱器運(yùn)行壓降均合格，實(shí)際運(yùn)行過程中對過熱蒸汽進(jìn)行降壓操作對E1502的換熱效率并未產(chǎn)生不利的影響，初始設(shè)計(jì)參數(shù)方案一滿足運(yùn)行要求；催化劑運(yùn)行末期R1501出口溫度降低至410 ℃時(shí)，初始設(shè)計(jì)換熱器的面積余量僅為4%左右，不滿足換熱器的設(shè)計(jì)要求，需要對換熱器進(jìn)行加大處理。故經(jīng)過對比，新建裝置E1502最終進(jìn)行方案變更，采用方案二。

3 結(jié)語

(1)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對新建裝置進(jìn)行驗(yàn)算，對于其設(shè)計(jì)工作進(jìn)行指導(dǎo)是非常必要的。新建裝置R1501在工藝包數(shù)據(jù)中共列舉出了12種操作工況，但與實(shí)際裝置運(yùn)行對比發(fā)現(xiàn)，仍然存在工況的丟失。出現(xiàn)此種情況可能是受工人操作、催化劑廠家選擇等多方面原因的影響。

(2)HTRI軟件為裝置設(shè)計(jì)工作提供較大幫助，工程技術(shù)人員掌握后可以對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核，從操作運(yùn)行角度規(guī)避設(shè)計(jì)失誤。