S Zorb裝置原料換熱器結焦問題分析研究

于曉玲

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137）

1 原料換熱器介紹

某煉油廠S Zorb裝置投入生產(chǎn)以來，原料換熱器采用兩組并聯(lián)、一組三臺的方式來回收反應熱能，原料汽油換熱后進入加熱爐加熱去反應器。流程如圖1所示。其中A組ABC換熱器與D組DEF換熱器一一對應。在生產(chǎn)過程中由于汽油中夾帶的重組份沉積，原料換熱管束容易結焦[1]。換熱器結焦嚴重時會存在以下不良影響：（1）原料處理量受限，管內壁結焦，流量增大；（2）原料換熱器偏流加劇，管程結垢嚴重，封頭出現(xiàn)泄漏；（3）加熱爐負荷上升，瓦斯消耗高，能耗大。因此該文分析裝置各周期歷史數(shù)據(jù)，比較兩組并聯(lián)換熱器的換熱效果、結焦、偏流情況。

圖1 原料換熱器E101流程

2 理論計算依據(jù)

原料換熱器E101以ABC為一組、DEF為一組；A/D、B/E、C/F型號相同，兩組并聯(lián)形式物料組成相同，均為汽油和氫氣混合物。故通過計算對比兩組傳熱效果和流量情況，可避免因估算與環(huán)境傳熱造成的熱量損失、物料比熱容、相變等偏差，以實際生產(chǎn)為主進行換熱器理想換熱計算。

（1）流量比值

根據(jù)兩股物料相同且無相變Q＝q×H，故熱量和為混合后總熱量，根據(jù)溫度變化計算換熱器兩組質量流量之比即為并聯(lián)換熱器偏流情況，具體表達如式（1）所示：

其中，q表示質量流量，kg/h；H表示熱焓值，kJ/kg；A表示換熱器A組，D表示換熱器D組。

（2）管殼程換熱量

由于換熱過程油品存在相變，根據(jù)焓值計算熱量Q＝qoil×ΔH＋qH2×Cp×Δt，且殼程兩組流量比值為計算兩組換熱量比值Xh（/1＋Xh）×Qh；同理，管程計算其中，h表示熱流，為殼程產(chǎn)品汽油，c表示冷流，為管程原料汽油，out表示出口總管，X表示流量比值。

（3）傳熱系數(shù)

根據(jù)單組換熱器的換熱量Q＝K×A×Δtm，計算該組換熱器傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)越大表示該組換熱器換熱效果好、阻力小、結焦少。其中，K表示傳熱系數(shù)，W/m2·℃；A表示傳熱面積，m2；Δtm表示傳熱溫差，℃；具體表達如式（2）所示：

因此A組傳熱系數(shù)具體表達如式（3）所示：

3 換熱器結焦及偏流情況分析

對原料換熱器E101從2014年至2018年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，將2014年換熱器檢修管束抽芯清洗后投用作為第一分析周期，該周期運行后期對換熱器清洗前后數(shù)據(jù)作為一周期后期和第二周期初期，以此類推。進料量相同管程出口溫升越高說明換熱器越清潔，管束清洗效果較好。原料換熱器管殼程各周期數(shù)據(jù)見表1，原料換熱器管殼程各周期傳熱分析見表2。

表2 原料換熱器管殼程各周期傳熱分析

根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)，由2014年11月至2018年12月三次運行周期的數(shù)據(jù)繪制管程總管換熱溫升的變化趨勢詳見圖2，每個周期初始時管程溫升明顯高于運行末期，主要通過管束清焦減少換熱期間熱垢換熱損失，提高換熱效果。但隨著多個周期總體運行時間的增加，換熱效果整體呈現(xiàn)下降趨勢，表明難于清洗的膠質逐漸累積在管束中難于清除，造成每次抽芯清洗后換熱效果雖提升但幅度較小，換熱效果整體下降。

圖2 2014年-2018年管程總管換熱溫升變化趨勢

表1 原料換熱器管殼程各周期數(shù)據(jù)

分析并聯(lián)兩組換熱器的管殼程進出口溫度，發(fā)現(xiàn)2014年一周期初始，管程溫升較高達305.3 ℃，且根據(jù)圖3所示并聯(lián)兩組換熱器傳熱系數(shù)的變化趨勢，換熱器兩組傳熱系數(shù)近似為1時說明換熱器抽芯清洗后換熱效果較好，兩組換熱效果一致，無明顯偏流現(xiàn)象。運行27個月至一周期末期，換熱效果變差出口溫升下降3.5 ℃，管程原料汽油取熱量降低。分析單組換熱器運行情況，A組換熱器管程出口溫度上升，計算發(fā)現(xiàn)A組管程流量較D組小，取熱量小，傳熱系數(shù)小，說明A組熱阻較高換熱效果變差，結焦造成明顯偏流，管程出口溫度增加并不是換熱效果好而是結焦偏流綜合造成，這與結焦導致管束阻力增加、壓降增加、流量下降的規(guī)律一致[2]。

圖3 并聯(lián)兩組換熱器傳熱系數(shù)變化趨勢

第二周期初期，E-101E/F更新，整體換熱效果明顯提高，但是A組未洗下的膠質殘留較D組結焦情況多，內部流動阻力差異大，產(chǎn)生了管程汽油明顯偏流，造成A組流量下降，A組傳熱系數(shù)小于D組，因此管程出口溫升僅提升至307.4 ℃。運行近一年后，管程總取熱量、出口溫升及傳熱系數(shù)均下降較多，表明換熱器E101整體的換熱效果顯著下降，結焦較上周期嚴重。兩組換熱器對比，A組換熱器傳熱系數(shù)、管程流量、熱量均小于D組，A組結焦嚴重且管程流量偏小、出口溫度偏高。分析當初期流量相差較大時，D組管程流量大因攜帶重組分較多結焦較快，流量因結焦再分布但A組流量仍較小，到運行后期A組因流量流速較低導致進料中膠質等重組分快速沉積成為主要影響因素，A組管程出口溫度較高兩組溫差達20 ℃。因此，本周期運行期間兩組偏流情況持續(xù)存在，導致了兩組在運行過程中均較快結焦，導致?lián)Q熱效果下降較快，運行周期僅12個月管程出口溫升下降了11.9 ℃。

第三周期初裝置抽芯高壓水槍清洗管束，投用后管程溫升僅提高4.2 ℃，換熱效果提升但未達上周期初始值，表明結焦難于清洗仍殘存在管束中影響換熱，同時發(fā)現(xiàn)A組阻力較大，偏流嚴重，導致?lián)Q熱器管程出口溫升快速下降，僅3個月管程出口溫升下降10.8 ℃，換熱效果下降較快，運行周期進一步縮短，數(shù)據(jù)定為三周期中期。裝置立即采取措施，E-101ABC殼程閥門卡2/3，降低A組殼程流量，減少偏流的不良影響，溫升提高，換熱效果提升，維持運行至2018年末抽芯清洗。

總結規(guī)律，管程溫升較高說明換熱器抽芯清洗后換熱效果較好，但由于膠質隨時間增加更難于清洗，換熱效果整體呈下降趨勢。運行后期A組管程結焦較D組嚴重，表現(xiàn)出流量降低，出口溫度較高，取熱量下降。表明換熱器偏流嚴重，流量降低導致流速降低，造成重組分沉積，進一步增加了管束結焦，結焦繼續(xù)造成偏流加重，形成惡性循環(huán)，導致?lián)Q熱效果快速下降，運行周期縮短。

4 近期生產(chǎn)現(xiàn)狀問題分析

根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行理論計算判斷出換熱器結焦偏流的作用規(guī)律，以該方法反過來指導實際生產(chǎn)中遇到的問題。因此利用上述計算方法和規(guī)律對目前生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析，探尋兩組換熱器的結焦情況。

由于換熱器清洗后管殼程清潔度較好，兩組比較得管程和殼程出口溫差均明顯降低，溫差僅6 ℃則不能忽略儀表測量誤差所造成的熱量計算誤差。故根據(jù)單組投用時出口溫度進行校正，如下表3所示，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示殼程出口與換熱器總管出口差距小，而管程出口溫度相較于出口總管溫度低約1.8 ℃，并對數(shù)據(jù)進行校正。

表3 原料換熱器管程溫度校正

4.1 管程偏流情況分析

2018年底換熱器抽芯清洗，由于A組管束結焦嚴重，部分管束難于疏通，更換換熱器E101A/C管束，管程溫升達315.1 ℃，換熱效果明顯提升。通過數(shù)據(jù)分析繪制并聯(lián)兩組換熱器流量、取熱量及傳熱系數(shù)的變化趨勢見圖4、5、6，發(fā)現(xiàn)D組流量高、取熱量高、出口溫度低，A組結焦較D組高，與上部分總結的規(guī)律一致，換熱器存在偏流情況。由于2018年底檢修清洗更換了E101A/C管束，E101B管束利舊清洗，且現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)結焦物質較難清洗，推測A組中換熱器E101B仍存在較嚴重的結焦，短板效應成為造成該組換熱效果差的主要因素。

圖4 并聯(lián)兩組換熱器流量變化趨勢（2018.12.25-2019.12.31）

圖5 并聯(lián)兩組換熱器取熱量變化趨勢（2018.12.25-2019.12.31）

圖6 并聯(lián)兩組換熱器傳熱系數(shù)的變化趨勢（2018.12.25-2019.12.31）

自2019年1月3日起，卡E101D管程入口第二道閥門至剩10圈，降低了D組管程流量，使兩組流量趨于相同。隨著運行時間的增加，由于A組結焦多、傳熱系數(shù)較小，管程流量逐漸下降，在裝置進料處理量為135 t/h時，偏流越來越嚴重。當處理量下降時，兩組流量偏差變小，可以看出處理量在120 t/h時，偏流情況較低，傳熱系數(shù)升高，傳熱效果提升。管內壁結焦，處理量增大，偏流會更嚴重。

由于偏流導致流量、流速降低，加劇管束內壁結焦/垢，換熱效果下降。本周期裝置采取措施為卡D組管程進口流量，降低了偏流造成的影響，在一定程度上減緩了換熱器結焦。經(jīng)過近一年運行，換熱器總管壓降無明顯上升，在0.16 MPa左右。綜合發(fā)現(xiàn)A組流量稍低于D組，與換熱分析規(guī)律一致，但目前偏流程度較小，并聯(lián)換熱器管殼程溫差較小，生產(chǎn)狀況穩(wěn)定。

4.2 相變過程及腐蝕減薄

設計E101C/F為相變的主要換熱器，管程進料物料70%為氣相，出口100%為氣相。上周期檢修發(fā)現(xiàn)E管束減薄，為“相變活躍區(qū)”，結焦物質分析主要為FeS及焦炭，因此在相變點結焦造成高溫硫腐蝕減薄。故研究裝置目前換熱器的相變過程，確定管程物料氣化點相應為管程結焦的最嚴重點。利用手持式測溫儀測量管壁，記錄數(shù)據(jù)見表4，儀表實時測量數(shù)據(jù)同時列出，根據(jù)管壁溫度與測量溫度差，估算B、E的管程進口溫度分別為171、168.5 ℃。

表4 原料換熱器管程冷流溫度情況

根據(jù)產(chǎn)品采樣餾程數(shù)據(jù)分析，計算出管程B/E的進口溫度對應的蒸發(fā)量B為87.2%，E為85.7%，且出口B/E均達100%，與設計值管程B/E氣相含量進口14%，出口70%有較大差別。表明管程物料的汽化點在中間換熱器，與設計相比下移，因此干點結焦主要集中產(chǎn)生在B/E管束中，與檢修時管束的狀態(tài)一致?；仡櫾撝芷诔跗诟鼡Q了A/C管束，B管束結焦情況會逐漸增加，成為制約A組換熱效果的關鍵換熱器，需要加強觀察和監(jiān)控。

5 結論

S Zorb裝置原料換熱器E101是影響長周期生產(chǎn)運行的關鍵設備，并聯(lián)兩組換熱器生產(chǎn)運行過程中溫度、壓降變化均需要關注。通過對近幾年換熱器運行數(shù)據(jù)的分析得到，換熱器整體結焦表現(xiàn)為管程溫升下降，處理量相同的情況下，溫升下降越快，結焦情況越嚴重。初步分析，管程進出口溫差小的一組為結焦較大、換熱效果較差的換熱器。深入分析發(fā)現(xiàn)，前幾個周期隨著運行時間的增加單組管束結焦較另一組管束嚴重時流量降低，進出口溫差增大，出口溫度較另一組明顯升高，傳熱系數(shù)較小。經(jīng)該周期運行數(shù)據(jù)驗證，發(fā)現(xiàn)目前運行兩組換熱器仍存在偏流現(xiàn)象，A組結焦多集中在E101B管束中，運行情況穩(wěn)定，處理量降低時偏流程度降低。汽化點下移至E101B管程中，容易加劇結焦，因此需要加強監(jiān)控。通過計算可以很好檢測原料換熱器E101并聯(lián)兩組的結垢情況，直觀判斷并聯(lián)換熱器的結焦偏流情況，為檢修提供一些建議參考。