急冷鍋爐入口聯(lián)箱與扁圓管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

蔣 巍

（北京航天動力研究所）

徐慧敏

（大慶石化工程有限公司）

孫圣迪

（黑龍江工程學(xué)院機電工程學(xué)院)

0 引言

急冷鍋爐是指利用乙烯裂解過程中的余熱以產(chǎn)生蒸汽的鍋爐，是乙烯生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。它的安全穩(wěn)定運行對乙烯裝置的穩(wěn)定運行、增加乙烯收率，具有重要意義[1]。某化工廠乙烯裝置裂解爐的急冷鍋爐在一次投料過程中，發(fā)現(xiàn)爐管出口處泄漏、著火。退料處理后，重新投料，發(fā)現(xiàn)爐管流通不暢。拆鍋爐入口盲法蘭后發(fā)現(xiàn)，爐管內(nèi)管出現(xiàn)堵塞、嚴(yán)重鼓包、輕度鼓包、彎曲的現(xiàn)象。本文通過對原結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬得到了熱負(fù)荷均勻情況下各爐管流量分配規(guī)律[2]。根據(jù)流量分配的規(guī)律擬定了六種改進方案。通過對六種方案爐管內(nèi)的流量分配進行分析，得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)（最優(yōu)方案），并對其速度場、壓力場進行數(shù)值模擬分析，驗證優(yōu)選結(jié)構(gòu)的正確性。

1 原結(jié)構(gòu)的模擬分析

急冷鍋爐爐管分4組，每組16根，共64根。爐管型式為雙套管式，內(nèi)管材質(zhì)15CrMoG，尺寸為覫101.6 mm×10 mm，外管材質(zhì)SA106GrB，尺寸為159 mm×14 mm，每組換熱面積為80.2 m2，管程介質(zhì)為裂解氣，殼程介質(zhì)為鍋爐給水。

入口聯(lián)箱和扁圓管內(nèi)的速度分布如圖1、圖2和圖3所示。由圖可以看出，聯(lián)箱的端部流速很小，可以看作流動死區(qū)。中間5根連接管內(nèi)的流速要大于兩側(cè)的連接管內(nèi)的流速。扁圓管空間內(nèi)，在中間6根管的外側(cè)空間靠近連接管的一側(cè)有一對對稱的漩渦，底部的流體繞管壁規(guī)則地流動。在兩側(cè)的爐管管壁外流水繞管壁有較強的旋流作用，這種周向的旋流作用會影響爐管殼程內(nèi)水的流動，增大流動阻力，導(dǎo)致這兩根爐管內(nèi)的水流量偏小。

圖1 入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量圖

圖2 入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量局部放大圖

圖3 入口聯(lián)箱和扁圓管速度分布云圖

從圖4可以看出扁圓管內(nèi)的壓力分布并不均勻，由于繞流的存在導(dǎo)致兩端的爐管處的壓力偏低，中間6根管底部的壓力最高。

圖4 入口聯(lián)箱和扁圓管內(nèi)的壓力分布圖

由這些數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，各爐管內(nèi)的流量分配不均，存在較大的偏差。兩端的爐管流量最小，容易導(dǎo)致傳熱惡化，造成內(nèi)管超溫。

2 改進方案及分析

為使各爐管流量分配均勻，減小最大流量和最小流量的偏差，本文在保證設(shè)計操作、實際操作和異常工況時各爐管的平均流量不變 （分別為2.507 kg/s、1.920 kg/s、1.609 kg/s）的原則下，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在扁圓管的兩端各增加一根輔助連接管。各管的間距不變，輔助連接管到最近的連接管距離為202 mm，輔助連接管的直徑不同。根據(jù)輔助連接管的直徑和布置的不同，擬定了六種改進方案（見表1）。改進方案的入口聯(lián)箱和扁圓管結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 備選的六種改進方案 （單位：mm）

圖5 入口聯(lián)箱和扁圓管結(jié)構(gòu)

針對六種改進方案的輔助連接管的布置，分別對設(shè)計操作、實際操作和異常工況下爐管內(nèi)的流量分配進行數(shù)值模擬[3]，得到改進之后各爐管內(nèi)的流量分配。從靠近到遠(yuǎn)離聯(lián)箱入口的方向上，爐管編號依次為1～8。對各爐管的流量輸出進行統(tǒng)計如表2～表7所示。

從表2可以看出，方案一在設(shè)計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的91.81%、92.12%和92.35%，偏差趨勢依然是兩側(cè)爐管流量偏小。

表2 方案一不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 （單位：kg/s）

表3 方案二不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 （單位：kg/s）

表4 方案三不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 （單位：kg/s）

表5 方案四不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 （單位：kg/s）

表6 方案五不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 （單位：kg/s）

表7 方案六不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 （單位：kg/s）

從表3可以看出，方案二在設(shè)計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的96.09%、96.20%和96.31%，偏差趨勢是第1～4根爐管流量偏大，第5～8根爐管流量偏小。

從表4可以看出，方案三在設(shè)計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的94.03%、94.27%和94.41%，偏差趨勢是第1根爐管流量偏小。

從表5可以看出，方案四在設(shè)計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的96.60%、96.76%和96.90%，偏差趨勢是第1根爐管流量略微偏小。

從表6可以看出，方案五在設(shè)計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的98.23%、98.30%和98.33%，各爐管的流量偏差很小。

從表7可以看出，方案六在設(shè)計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的97.95%、98.08%和98.10%，各爐管的流量偏差很小。

3 改進方案的優(yōu)選

以減小爐管內(nèi)流量偏差為目的，對提出的改進結(jié)構(gòu)進行優(yōu)選。在設(shè)計操作工況下原結(jié)構(gòu)與各改進方案的流量分布曲線如圖6所示?？梢钥闯?，各改進方案爐管的流量分布均優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。其中，方案五和方案六各爐管的流量分布都比較均勻。

圖6 各改進方案流量分布曲線

對原結(jié)構(gòu)和改進方案不同工況下，爐管最小流量與最大流量的比值 （百分比）進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表8所示。通過比較可知，方案五的流量偏差最小，方案六的流量偏差第二小。方案五為最優(yōu)方案。為了驗證這一結(jié)論的正確性，對方案五進行數(shù)值模擬，有關(guān)的壓力分布圖和速度分布圖如圖7～圖10所示。

表8 不同結(jié)構(gòu)最小流量占最大流量百分比 （%）

圖7 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管壓力分布

通過圖1～圖4與圖7～圖10綜合比較分析可以看出，經(jīng)過方案五的改進后，在扁圓管空間內(nèi)壓力和速度分布比原結(jié)構(gòu)均勻，方案五的改進方案最優(yōu)。這一方案就是在靠近聯(lián)箱入口的一端增加內(nèi)徑為50 mm的輔助連接管，在遠(yuǎn)離聯(lián)箱入口的一端增加內(nèi)徑為55 mm的輔助連接管。

圖8 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管速度分布

圖9 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量圖

圖10 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管局部放大速度矢量圖

4 結(jié)論

經(jīng)過數(shù)值模擬分析得出結(jié)論，給水聯(lián)箱布局不合理造成了爐管給水分配不均勻和各爐管的熱負(fù)荷不均勻，即造成了爐管流量偏差較大，并導(dǎo)致兩側(cè)爐管出現(xiàn)傳熱惡化，發(fā)生爐管超溫堵塞現(xiàn)象。因此，為了避免爐管給水分配不均，應(yīng)優(yōu)化給水聯(lián)箱結(jié)構(gòu)布局，在靠近聯(lián)箱入口端和遠(yuǎn)離聯(lián)箱入口端增加輔助給水連接管。

[1] 古大田,方子風(fēng).廢熱鍋爐 ［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 林·尤·懷特.鍋爐手冊 ［M］.王錫高譯.北京:科學(xué)出版社，2001.

[3] 王尊策，孔令真，徐艷.急冷鍋爐內(nèi)流場傳熱特性及失效分析 ［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，43(增1)：131-135.

[4] 蔣巍.急冷鍋爐給水流量分配分析 [J] .化工裝備技術(shù)， 2012， 33 （3）： 44-47.