高黏原油熱交換器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 晉，劉紀(jì)堯

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

高黏原油熱交換器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 晉，劉紀(jì)堯

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

高黏原油熱交換器傳熱系數(shù)小、體積大，海洋石油平臺(tái)設(shè)備空間受限，需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用FORTRAN語(yǔ)言、EDR和SW6軟件等工具進(jìn)行求解，得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，求解結(jié)果準(zhǔn)確可靠，節(jié)省平臺(tái)空間且成本低。針對(duì)海洋石油平臺(tái)工況，總結(jié)出高黏原油熱交換器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律。

高黏原油；熱交換器；優(yōu)化設(shè)計(jì)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.46

0 引言

熱交換器是海洋石油平臺(tái)常用熱量交換設(shè)備，它不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷凝器使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備[1]，在海洋石油工藝生產(chǎn)中具有重要地位。由于原油黏度高，對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很小，一般計(jì)算所得熱交換器尺寸比較大[2]，而海洋石油平臺(tái)對(duì)空間的要求很高，所以需要對(duì)熱交換器尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期設(shè)計(jì)結(jié)果既節(jié)省材料，又符合實(shí)際工況要求。在解決上述問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合常規(guī)熱交換器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就可設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)、又符合海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)工況的熱交換器。

1 設(shè)計(jì)方案選擇

根據(jù)甲方給定的基礎(chǔ)資料，結(jié)合平臺(tái)實(shí)際工況，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，可以確定如下技術(shù)方案。

（1）熱交換器型式。由于熱交換器管、殼程原油黏度都很大，結(jié)垢嚴(yán)重，需經(jīng)常進(jìn)行機(jī)械和化學(xué)清洗，而浮頭式熱交換器優(yōu)點(diǎn)是管束可以從殼體中抽出，方便管間和管內(nèi)的清洗[3]，因此本模型只能選擇浮頭式熱交換器（BES）。

（2）流程安排。本模型管殼程均為原油，而原油黏度隨著溫度升高而降低，由于殼程流體容易達(dá)到湍動(dòng)從而傳熱效果好[4]，因此選擇殼程為低溫原油。

（3）管子排列。由于高黏原油容易結(jié)垢，需要經(jīng)常進(jìn)行管外機(jī)械清洗，因此，為操作方便，需選用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排管。進(jìn)一步考慮，轉(zhuǎn)角正方形排管在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng)比正方形擾動(dòng)劇烈，因此最終選用轉(zhuǎn)角正方形排管。

（4）管程數(shù)。本例許用壓降100 kPa，利用EDR軟件進(jìn)行試算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果和橇內(nèi)總體配管專業(yè)布管要求，選用4管程最為合理。

（5）折流板切割率。根據(jù)最小流通面積原則，折流板切割率需要滿足沿折流板B路流的流通面積需大于殼程進(jìn)出口流通面積。因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合壓降情況，確定折流板切割率為26%。

除了上述已確定的參數(shù)，結(jié)合熱交換器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還需要根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定換熱管直徑、管間距和折流板間距的結(jié)構(gòu)尺寸。

2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 換熱管直徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)

原油熱交換器容易結(jié)垢，需要經(jīng)常機(jī)械清洗，通過(guò)與業(yè)主操作方溝通，保證清洗方便的最小管徑為19 mm。按照標(biāo)準(zhǔn)推薦要求，選擇3種規(guī)格的換熱管（19 mm×1.5 mm，25 mm×1.5 mm和30 mm×1.5 mm）為研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算。3種換熱管對(duì)應(yīng)的管心距按照標(biāo)準(zhǔn)推薦為19～25 mm，25～32 mm，30～38 mm。為方便模擬計(jì)算，設(shè)定4個(gè)基本參數(shù)。①利用SW6進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算（管殼程筒體封頭、設(shè)備法蘭、管板和鉤圈等）；②折流板間距330 mm；③利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算；④功率變量取值300～550 kW。

根據(jù)前面建立的數(shù)學(xué)模型，以整臺(tái)熱交換器用料噸位為計(jì)算目標(biāo)，借助FORTRAN語(yǔ)言工具進(jìn)行計(jì)算，得到不同管徑下，設(shè)備總重隨功率的變化（圖1）。

圖1 不同管徑下設(shè)備總重量對(duì)比

由圖1可見(jiàn)，在相同功率下，隨著換熱管直徑的增加，設(shè)備重量增加很大。功率450 kW時(shí)，3種不同管徑熱交換器計(jì)算所得重量分別為19.8 t，23.2 t和26.4 t。產(chǎn)生差別的主要原因有2個(gè)：①同等布管區(qū)域，較小的換熱管布置的換熱管根數(shù)更多，換熱面積也更大；②高黏流體存在很大的徑向溫差，較小的管徑更有利于傳熱，這與文獻(xiàn)[4]研究結(jié)果吻合。由于流速較低，利用EDR軟件進(jìn)行振動(dòng)模塊核算，結(jié)果表明，使用19 mm的換熱管可以滿足振動(dòng)要求。

本模型中采用外徑為19 mm換熱管最為經(jīng)濟(jì)合理，理由有3點(diǎn)。①滿足業(yè)主方清洗管殼程的基本要求；②管徑越小，對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大、換熱面積越?。ǜ道锶~定律反比關(guān)系式），進(jìn)而得到的熱交換器內(nèi)徑也較小，可以節(jié)省材料和平臺(tái)空間；③滿足工藝及振動(dòng)的要求。

2.2 折流板間距的優(yōu)化選擇

一般而言，折流板間距越小，傳熱效果越好，但是流動(dòng)阻力也越大，所以折流板設(shè)置的基本原則是：在不超過(guò)許用壓降（100 kPa）的基礎(chǔ)上，盡量減小折流板間距。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：折流板最小間距一般不小于筒體內(nèi)直徑的1/5，且≥50 mm，外徑19 mm碳鋼管的最大無(wú)支撐跨距為1500 mm?；诖?，本模型折流板間距取值280～750 mm。為方便模擬計(jì)算，設(shè)定換熱管直徑為19 mm，熱交換器功率450 kW。

利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行工藝計(jì)算，研究選擇不同折流板（單弓形、雙弓形、三弓形）型式時(shí)，壓力降和管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著折流板間距的變化，模擬計(jì)算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 壓力降隨間距的變化

圖3 傳熱系數(shù)隨折流板間距的變化

由圖2可見(jiàn)，折流板間距越大，熱交換器壓降越??；相同折流板間距，壓力降大小關(guān)系為單弓＞雙弓＞三弓。當(dāng)單弓形折流板間距為330 mm時(shí)，單弓、雙弓和三弓3種不同型式折流板計(jì)算所得設(shè)備壓降分別為99.6 kPa，77.3 kPa和63.5 kPa。由圖3可見(jiàn)，折流板間距越大，管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越??；相同折流板間距，管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大小關(guān)系為單弓＞雙弓＞三弓；按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的折流板間距和設(shè)備許用壓降（100 kPa）雙重約束下，單弓、雙弓和三弓3種不同型式熱交換器計(jì)算所得最大對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，在折流板間距330 mm時(shí)為78.8W/（m2·K），折流板間距280 mm時(shí)為 75.5 W/（m2·K）和50.7 W/（m2·K）。

綜上，當(dāng)單弓形折流板間距為330 mm時(shí)，能夠充分滿足許用壓降的要求，且傳熱系數(shù)同比最大。因此，本例折流板最優(yōu)化選擇為單弓形折流板，折流板間距為330 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

以高黏原油熱交換器對(duì)研究對(duì)象，在建立物理數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助 FORTRAN語(yǔ)言、EDR和SW6軟件等工具進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，得到3個(gè)結(jié)論。

（1）對(duì)于高黏原油熱交換器，通過(guò)基礎(chǔ)計(jì)算和常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，可以確定熱交換器型式、流程安排、管子排列、管程數(shù)和折流板切割率結(jié)構(gòu)參數(shù)，而換熱管直徑和折流板間距2個(gè)重要參數(shù)需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)確定。

（2）換熱管直徑的優(yōu)化選擇。以設(shè)備重量最小為設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行工藝和強(qiáng)度計(jì)算，得到最為節(jié)省材料的方案，設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡量提高管內(nèi)外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，以期減小的熱交換器尺寸，節(jié)省平臺(tái)空間，最終設(shè)計(jì)結(jié)果還需要校核熱交換器振動(dòng)工況。

（3）折流板間距的優(yōu)化選擇。折流板間距設(shè)置過(guò)程中，需要在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的折流板間距和設(shè)備許用壓降雙重約束下，選擇對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大的方案；折流板間距越大，管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越??；相同折流板間距，管外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大小關(guān)系為單弓＞雙弓＞三弓。

對(duì)原油熱交換器設(shè)計(jì)進(jìn)行了差異化分析和規(guī)律性總結(jié)，得到高黏流體工況下的特殊設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化方法，按照文中的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得到既經(jīng)濟(jì)、又合理的熱交換器設(shè)備。所述設(shè)計(jì)方法，對(duì)海洋石油平臺(tái)高黏流體熱交換器具有普遍指導(dǎo)意義。

［1］KUPPAN T.熱交換器設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.錢(qián)頌文,譯.北京:中國(guó)石化出版社，2004.

［2］郭濤，趙崇衛(wèi)，馬虹.折流板結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)熱交換器的影響分析［J］.石油化工設(shè)備，2015,44（3）:11-15.

［3］GB 151—2014，熱交換器［S］.

［4］葉林，陳樹(shù)新.高黏流體傳熱的仿真計(jì)算及熱交換器設(shè)計(jì)［J］.化工裝備技術(shù)，1996，17（2）:16-19.

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〔編輯 凌 瑞〕