趙文雅，王天樂，郝振宇

（1.江蘇鈦得新材料技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221116； 2.山東奧瑟亞建陽炭黑有限公司，山東 棗莊 277000；3.國(guó)能（天津）港務(wù)有限責(zé)任公司，天津 300000）

0 引言

換熱器是化工廠熱量交換或熱量回收的重要熱交換設(shè)備，炭黑工廠涉及的換熱器按照換熱器類型劃分主要有管殼式換熱器和板式換熱器，按照流體介質(zhì)劃分主要有汽-液換熱器、氣-氣換熱器，按照上述分類規(guī)則，又以汽-液管殼式換熱器為主。

改善前造粒系統(tǒng)設(shè)置管殼式換熱器一臺(tái)，造粒系統(tǒng)中的兩臺(tái)造粒機(jī)造粒過程使用的造粒水均由此換熱器對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)兩臺(tái)造粒機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，對(duì)于造粒水的水溫要求是不同的。兩臺(tái)造粒機(jī)若共用一臺(tái)換熱器出來的熱水會(huì)出現(xiàn)因造粒水水溫相同而造粒不均勻的情況，影響最終炭黑產(chǎn)品品質(zhì)。為提高工藝的可控性、穩(wěn)定性，需要根據(jù)工藝更換為兩臺(tái)管殼式換熱器。更換后，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)換熱器分別給造粒水預(yù)熱并將造粒水分別送至兩臺(tái)造粒機(jī)，解決因水溫相同導(dǎo)致造粒不均勻的品質(zhì)問題。

Aspen EDR 全稱為Aspen Exchanger Design & Rating，是一款集設(shè)計(jì)、校核、模擬等功能于一體的專業(yè)程序，此次選用Aspen EDR 軟件完成計(jì)劃更換的換熱器設(shè)計(jì)、選型、校核及優(yōu)化工作。最終，根據(jù)設(shè)計(jì)及校核結(jié)果為依據(jù)采購(gòu)了新?lián)Q熱器兩臺(tái)，文章最后對(duì)新設(shè)計(jì)的換熱器進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行測(cè)試并將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理歸納。

1 換熱器設(shè)計(jì)

1.1 工藝參數(shù)

參考現(xiàn)有換熱器的運(yùn)行工況，現(xiàn)將新造粒水換熱器工藝條件進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 造粒水換熱器工況參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)過程

運(yùn)行Aspen EDR，新建Shell & Tube（管殼式換熱器），軟 件 啟 動(dòng) 后，進(jìn) 入EDR Navigator（導(dǎo) 航器）/Input/ Problem Def inition/Application Option/General，Calculation Mode 選擇Design（設(shè)計(jì)模式），Location of hot fluid 選擇Shell Side（熱流體位于殼程），計(jì)量單位選用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位SI 單位制，Calculation Method （計(jì)算方式）選擇高級(jí)計(jì)算方法。

第二步，進(jìn)入Process Data（工況條件）設(shè)置界面，在Process Data（工況條件）界面中輸入新?lián)Q熱器的工況條件（工況條件參考表1 造粒水換熱器工況參數(shù)），考慮到之前安裝的管殼式換熱器管程內(nèi)壁常因水質(zhì)差、易結(jié)垢且熱回收效率偏低（原設(shè)計(jì)熱阻系數(shù)為：0.00018 m2·K/W），為保證新?lián)Q熱器熱交換效率，本次設(shè)計(jì)對(duì)Fouling resistance（熱阻系數(shù)）進(jìn)行重新修訂。查詢TEMA 設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，蒸汽的熱阻垢系數(shù)選擇No-Oil Bearing 條件下的熱阻系數(shù)0.000 35 m2·K/W，考慮到造粒水水質(zhì)差且為硬水，造粒水熱阻垢系數(shù)選擇河水、硬水、加熱介質(zhì)溫度區(qū)間116～204 ℃、水溫高于52 ℃條件下的熱阻系數(shù)為0.000 88 m2·K/W），如圖1 所示。

圖1 換熱器工況條件錄入界面

第三步，點(diǎn)擊Next（下一步）進(jìn)入Property Data （物性數(shù)據(jù)）設(shè)置界面下的Hot Stream（1）Compositions （熱流體組分） →Composition（組分） →Physical property package（物性數(shù)據(jù)包）→選擇B-JAC 數(shù)據(jù)包→Search Databank（檢索數(shù)據(jù)庫） →添加Steam（蒸汽組分） →組分含量輸入1 →點(diǎn)擊Next →進(jìn)入Hot Stream（1）properties（熱流體組分特性設(shè)置界面） →點(diǎn)擊Get Properties，即可完成熱流體-蒸汽組分的設(shè)定操作。

第四步，點(diǎn)擊Next（下一步）進(jìn)入Cold Stream（2）Compositions（冷 流 體 組分） →Composition（組分） →Physical property package（物性數(shù)據(jù)包）→選擇B-JAC數(shù)據(jù)包→Search Databank（檢索數(shù)據(jù)庫）→添加water（造粒水）→組分含量輸入1 →點(diǎn)擊Next →進(jìn)入Cold Stream（2）Properties（冷流體組分特性設(shè)置界面）→點(diǎn)擊Get Properties（獲取流體物性數(shù)據(jù)），完成冷流體組分物性數(shù)據(jù)的設(shè)定。至此Aspen EDR 已具備計(jì)算符合該工況條件管殼式換熱器的核算條件。最后，點(diǎn)擊Run 開始計(jì)算。

2 換熱器計(jì)算結(jié)果

軟件計(jì)算結(jié)束后，進(jìn)入Result Summary /Optimization Path 下，Optimization Path 中列出所有符合設(shè)計(jì)工況下的管殼式換熱器清單，由于安裝空間受限（經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，最大安裝空間尺寸需要滿足500×2 000×1 000 mm），經(jīng)篩選只有部分規(guī)格的換熱器滿足需求，符合安裝空間要求的換熱器清單如表2 所示，為降低該換熱器的制造成本，且保證換熱器的整體性能，選擇序號(hào)2 作為此次初步計(jì)算的最優(yōu)管殼式換熱器結(jié)果（原因：在相同管程基礎(chǔ)上，換熱面積最低，管程內(nèi)流體流速均值和最大值均優(yōu)于其他三個(gè)計(jì)算結(jié)果），但序號(hào)2 換熱器還需要進(jìn)一步校核及優(yōu)化，序號(hào)2 換熱器主要存在如下問題：（1） 振動(dòng)問題；（2） 管測(cè)流速偏低；（3）面積余量偏低（一般面積余量在10%～20%較好）。

表2 符合現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的換熱器參數(shù)清單

3 換熱器校核

3.1 管側(cè)流速優(yōu)化

流體流速提高，有利于傳熱系數(shù)的提高，傳熱系數(shù)提高可以提高換熱器的熱交換效率，間接降低換熱器的換熱面積，換熱面積降低，有利于節(jié)約換熱器的制造成本。

但流體流速也不能無限制的提高，流體流速的升高會(huì)帶來換熱器壓力損失的升高，隨著而來的是介質(zhì)在較高流速狀態(tài)下需要更多的動(dòng)能（例如：需要提高泵的揚(yáng)程或者是提高泵的運(yùn)行負(fù)荷）。表2 中換熱器2管側(cè)平均和最大流速均為0.33 m/s，該流速偏低（根據(jù)換熱器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于管程，液體介質(zhì)的流速應(yīng)在0.6～3 m/s 范圍內(nèi)[2]）。

提高管程介質(zhì)的流速，可以通過（1）減少列管數(shù)量；（2）調(diào)整管程數(shù)量；（3）在維持列管數(shù)量不變的基礎(chǔ)上降低列管的直徑規(guī)格；（4）變換列管的布局方式（常見的列管布局方式有30°，45°和60°）。Aspen EDR 由設(shè)計(jì)模式切換到Rating/Checking（校核模式），模式切換后，點(diǎn)擊Exchanger Geometry（換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)定）→Geometry（幾何結(jié)構(gòu)）→Tube Passes（管程）由4 修改為6，Pattern（列管布局方式）由60°修改為45°，列管數(shù)量由100 修改為75，修改后點(diǎn)擊Run（運(yùn)行）。運(yùn)行后數(shù)據(jù)見表3，此時(shí)管側(cè)流速已提高且滿足管程液體介質(zhì)流速要求。

表3 換熱器校核前后變化對(duì)比數(shù)據(jù)表

3.2 面積余量?jī)?yōu)化

面積余量通常用來表征換熱器換熱面積富余量大小，通常面積余量數(shù)值＞1，表示換熱器的實(shí)際換熱面積大于該換熱器理論計(jì)算最小換熱面積，面積余量＜1，表示換熱器的實(shí)際換熱面積低于換熱器理論計(jì)算的最低換熱面積（也就是通常說的換熱面積不足），面積余量為1，表示換熱器的實(shí)際換熱面積等于換熱器理論計(jì)算的最低換熱面積（無富余量），面積余量推薦值為大于10%小于20%[3]。再次在Rating/Checking（校核）模式下點(diǎn)擊Run（運(yùn)行）程序，待運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)入EDR Navigator（EDR 導(dǎo)航欄）→Results（計(jì)算結(jié)果）→Thermal / Hydraulic Summary （熱能和水力計(jì)算結(jié)果）→ Performance（性能）→ Overall Performance（性能總覽）標(biāo)簽頁下，查看Actual/Required area ratio（dirty/clean） 數(shù)值為0.87（面積余量為-13%），該數(shù)值低于標(biāo)準(zhǔn)值1，故不符合要求，還需要進(jìn)一步對(duì)面積余量進(jìn)行校核，校核的原則需要確保滿足3.1 管側(cè)流速的基礎(chǔ)上，提高面積余量（適當(dāng)增加換熱面積）。

返回Exchanger Geometry（換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)定） →Geometry（幾何結(jié)構(gòu)）→ 換熱器殼體內(nèi)徑由308 mm調(diào)整為360 mm，殼體外徑由330 mm 調(diào)整為380 mm，Tube Passes（管程） 由6 修 改 為8，Pattern（列 管 布 局方式） 不變，列管數(shù)量由75 修改為98，修改后點(diǎn)擊Run（運(yùn)行）。運(yùn)行后數(shù)據(jù)見表3，此時(shí)管側(cè)流速雖有下降但仍然符合管程液體介質(zhì)流速在0.6～3 m/s 的范圍內(nèi)且Actual/Required area ratio（dirty/clean） 數(shù)值由0.87 提高至1.15，面積余量為15%，滿足大于10%低于20%的設(shè)計(jì)要求，因換熱器的列管布局方式、管程數(shù)量修改也會(huì)增加管殼式換熱器的壓力損失值，故在表4 中追加了換熱器管程壓力損失的對(duì)比數(shù)據(jù)（參照設(shè)計(jì)要求管程壓力損失值應(yīng)≤0.1 MPa，實(shí)際計(jì)算值符合設(shè)計(jì)要求）面積余量計(jì)算方式如（1）所示：

表4 新?lián)Q熱器測(cè)試結(jié)果

式中：A實(shí)際為換熱器的實(shí)際換熱面積（m2）；A需要為換熱器所需要的最低換熱器面積（m2）；面積余量為最終計(jì)算出的數(shù)值（%）。

3.3 流股分析

流股分析主要利用五種不同的流股來衡量換熱器有效流股的一種分析方法，流股分為A 流股（<0.2）、B 流股（>0.6）、C 流股（<0.1）、E 流股（<0.15）、F 流股（趨近于0）。如圖2 所示，B 流股0.52，基本符合要求；A 流股0.23，基本符合要求；C 流股0.02，滿足要求；E 流股0.19，基本符合要求；F 流股0.05，基本符合要求，經(jīng)分析流股數(shù)值均在合理范圍內(nèi)。

圖2 換熱器流股分析界面

3.4 振動(dòng)問題

換熱器的振動(dòng)問題主要受兩方面因素影響[4-5]：一方面是流體流速；另一方面是換熱器列管、折流板、殼體所用材料的特性。解決方式主要有：（1）改善材料特性：增加換熱管的壁厚；增加折流板的厚度；（2） 改善換熱器的結(jié)構(gòu)：降低折流板缺口率、減少弓形區(qū)布管數(shù)量、降低列管在折流板間的跨度、降低殼體入口處的流體的流速、安裝防沖板、安裝導(dǎo)流筒、減少旁路流和分隔流比例等方式。

返回至EDR Navigator（EDR 導(dǎo)航器） →Results（結(jié)果） →Thermal / Hydraulic Summary （熱 能 和 水力計(jì)算結(jié)果）→ Vibration & Resonance Analysis （振動(dòng)及共振分析）→ Fluid Elastic Instability（流體特性導(dǎo)致的振動(dòng)問題） → 該標(biāo)簽下的所有項(xiàng)均不存在列管振動(dòng)的問題。由Fluid Elastic Instability（流體特性導(dǎo)致的振動(dòng)問題） →切換至Resonance Analysis（共振分析） →該頁面下存在共振問題，共振問題點(diǎn)處在Outer Window, Top（頂部出口處），為解決此換熱器的共振問題，將Aspen EDR 運(yùn)行模式在設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上切換至Rating/Checking（校核模式），考慮到降低換熱器的制造成本，不考慮使用改善材料特性的方式進(jìn)行校核。返回至EDR Navigator（EDR 導(dǎo)航器） →Exchanger Geometry（換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)定） →Geometry（幾何結(jié)構(gòu)）→Cut（%d），對(duì)Cut（%d）重新設(shè)置，將設(shè)定值39 修改為15 后，點(diǎn)擊Run（運(yùn)行）。計(jì)算結(jié)束后，再次確認(rèn)Resonance Analysis（共振分析） 頁面下，顯示已解決共振問題，如圖3 所示。

圖3 換熱器優(yōu)化后最終界面

4 運(yùn)行測(cè)試

根據(jù)新設(shè)計(jì)換熱器的TEMA 特性表，邀請(qǐng)換熱器制造商對(duì)新?lián)Q熱器進(jìn)行加工制造，新設(shè)計(jì)的換熱器尺寸規(guī)格符合現(xiàn)場(chǎng)安裝空間的要求。生產(chǎn)線開車后，對(duì)該換熱器的性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，通過測(cè)試該換熱器能夠滿足原設(shè)計(jì)要求，測(cè)試的數(shù)據(jù)見表4。

與此同時(shí)換熱器的最大連續(xù)使用時(shí)長(zhǎng)與之前的舊換熱器的最大連續(xù)使用時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理對(duì)比，通過數(shù)據(jù)對(duì)比，新更換的換熱器由于面積余量的增加、換熱器管程設(shè)計(jì)流速的增加和熱阻系數(shù)的調(diào)整，提高了新?lián)Q熱器的使用時(shí)長(zhǎng)，大大降低了換熱器列管的除垢頻率，對(duì)比數(shù)據(jù)見表5。

表5 新?lián)Q熱器測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

此次運(yùn)用Aspen EDR 換熱器設(shè)計(jì)軟件，完成了造粒水換熱器的初步設(shè)計(jì)、校核工作和對(duì)最終換熱器性能的整體測(cè)試，對(duì)比傳統(tǒng)方式，優(yōu)勢(shì)如下：（1）Aspen EDR 軟件能夠通過列表或圖表的形式形象地將換熱器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來；（2） 運(yùn)算效率高、準(zhǔn)確率高（例如：校核過程需要考慮流體流速條件、面積余量、換熱器振動(dòng)問題、折流板設(shè)置（折流板的缺口率）等多個(gè)變量，多變量的調(diào)整工作量大、效率低且準(zhǔn)確率無法保證）。

日常利用Aspen EDR 軟件設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，為最大程度降低設(shè)計(jì)的換熱器性能與未來真實(shí)換熱器運(yùn)行的性能差異，設(shè)計(jì)階段應(yīng)重點(diǎn)考慮：（1） 新設(shè)備的安裝空間是否充足，應(yīng)根據(jù)安裝空間選擇合適的換熱器尺寸；（2） 設(shè)計(jì)前充分了解原工藝條件和期望達(dá)到的工藝條件（例如：目標(biāo)溫度、流體流量、最大允許壓力損失）；（3） 學(xué)會(huì)利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如熱阻系數(shù)）；（4）學(xué)會(huì)利用設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的振動(dòng)、面積余量不足、介質(zhì)流體流速低、ρv2的預(yù)警信息，進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化處理。