湿式空冷器优化设计和计算机辅助计算

第4期 毛新章，等：湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算 41 3计算机辅助热力校核 通过MATLAB来实现空冷器热力计算，依照 上述设计思路开发了干湿联合空冷器散热能力计算 应用程序(共有9个子程序)。 干湿联合空冷器的干式部分设计采用了高翅片 及传热系数_5，其传热能力也有较大的提高。丘东 采油厂各新型干湿联合空冷器散热能力的校核结果 见表2。从表2中可以看出，干式部分的散热能 力明显加强，可以达到吐哈油田丘东采油厂对设备 散热能力的要求标准。减少了湿式部分的面积， 也使工业用水腐蚀设备的现象大为减少。以夏季 管，与低翅片管相比，高翅片管有较高的传热面积以 极端气候计算，能够满足使用要求。 表2 丘东采油厂空冷器散热能力校核结果 4 结语 丘东采油厂湿式空冷器最大的问题不是散热问 题，而是散热负荷分配比例不合适，导致散热主要集 中于湿式空冷部分，致使大量水蒸气形成，进而造成 设备腐蚀，设备寿命明显缩短。 通过文中优化设计方案和校核计算可以知道： 通过设计可以加强干式部分的散热能力，降低湿 式部分的散热能力，降低腐蚀程度。该联合空冷 器采用干、湿冷管束组合布置，构架、平台均可统一 考虑，可以节约钢材，降低成本。新型方案采用同 一组风机提供风量，能够有效地提高风机的效率，减 少能耗。 参考文献： 1任世科，刘雪梅，党兴鹏表面蒸发空冷器的腐蚀及防 护措施J压力容器，2006，23(10)：4551 2刘会强表面蒸发式空冷器的工业应用及问题分析 EJ石油化工技术设备，2OOl，22(5)：15 3 尚立新改变空冷器结构实现冷凝介质的过冷却J 石油化工设备，2OlO，39(4)：26 30 4郭建华加氢裂化高压空冷器国产化进程简述J石 油化工设备，2009，38(1)：6871 5徐岩峰表面蒸发式空冷器在催化裂化装置中的应用 J石油化工设备，2004，33(5)：6768 6刘 晋，杨 巍，范红梅，等重油催化裂化装置表面蒸 发空冷器的缓蚀阻垢研究与应用J石油化工设备， 2009，38(5)：81-84 7柳玉海，陈以居，张志荣，等减顶板式空冷器在常减压 装置中的应用J石油化工设备，2005，34(6)：5960 8宋天民炼油厂静设备M北京：中国石化出版社， 2006 9 马义伟空冷器设计与使用M哈尔滨：哈尔滨工业 大学出版社，1998 1O刘勇利，冯德群干一湿式冷却技术在蒸汽轮机上的应 用J节能，2000，11(9)：2022 11邓天永催化裂化装置湿空冷器腐蚀结垢原因及对策 J炼油技术与工程，2005，22(6)：3437 12吴植仁，胡传青，富跃军推广空冷技术促进节能减排 J炼油技术与工程，2007，37(10)：2526 13马连强，郑开学，金志康空冷器的应用与工艺系统设 计J化工设计，2005，15(2)：3234 14王立新湿式空冷器HTRI造型方法探讨J化工设 计，2010，39(6)：4446 15武士坤，王 浚天然气回收装置空冷器的加湿改造 _J油气田地面工程，2004，23(3)：5253 16王德胜，张嵘，张 伟减压塔顶湿空冷器的腐蚀与 防护J石油化工腐蚀与防护，2007，24(2)：3640 173武耀祖，尚玉明，王社民表面蒸发式空冷器在轻烃回 收装置中的应用J化工机械，2003，30(5)：279 281 18赵顺安，李武全，冯 晶蒸发冷却器(闭式塔)的热力 计算方法J工业用水与废水，2009，40(3)：7375 (许编) 石油化工设备 2011年第4O卷 方案 ，工艺流程如下：流体先进入干式空冷管束进 行冷凝和冷却，然后进入被直接喷淋的湿式空冷管 束进行冷却，携带水雾的空气先进入湿式空冷管束 进行(出口温度往往低于环境气温)冷却，再进人干 式空冷管束，风机置于干式和湿式管束之间l1 。 在满足散热能力的前提下，提出增加干式空冷 器散热组散热面积、高翅片散热管以及改变送风装 置的改进方案。 2优化设计 以丘东采油厂的混烃脱戊烷塔顶空冷器为例 进行优化设计，以干湿联合空冷器的设计作为优 化方案，设计内容包括其干式部分和湿式部分的 设计。 21 干式部分优化设计 以尽可能增大干式部分的传热系数或在场地允 许的范围内增大干式部分的传热面积为目的。 (1)翅片管选择 考虑到干式空冷器高翅片比 低翅片的传热效果好，翅片管采用高翅片。基于管 内工艺流体温度的考虑以及各种翅片管的耐温性 能，翅片管选择LL型。 (2)估算干式空冷器面积 以空气出口温度t。 为自变量，分别以翅片管外表面积A 和光管外表 面积A 。为应变量(A 。一bA A Fc为翅片管的迎风 面积，b为翅片管的外表面积A。与迎风面积A 的 比值)。通过做出两个面积与冷空气出口温度的曲 线交点对应的面积来作为估算面积，这样空冷器干 式部分的温升也可以确定。出口温度与传热面积关 系曲线图见图1。 图1 出口温度与传热面积关系曲线图 从图1可以看出，当t 一110时，两直线相 交，对应A 94 171 ，AF 9 m。选择长宽为 3 m3 m的管束，其迎风面积可能略小于所求的 值。因此，通过增大风量而提高迎风面的风速来弥 补，最终确定风机迎面风速 一25 ms。 (3)风机选择计算出风机全风压为246 kPa， 选择国产F型风机。针对丘东采油厂混烃脱戊烷 塔顶空冷器的情况，提出两套方案：如不考虑功 耗，建议选用叶轮直径为36 ITI、转速为318 rrain、 叶片角为11。的风机，效率最高。如结合场地的 空问、成本和功耗考虑，建议选用叶轮直径为 30 m、转速为382 rrain、叶片角为13。、功率为 30 kW的风机。 (4)确定翅片管传热系数K。 此时需要核实 K 是否与估算的传热系数接近。如小于估计值，则 需重新估算。经计算，于式翅片管的传热系数K 一 06 w(m K)满足设计需求，可以采用上述 设计。 22湿式部分设计 湿式空冷器换热管采用光管。为保证结构上的 一致，湿式部分的管束尺寸以及每排管数的取值和 干式部分管束相同。对湿式光管空冷器进行热阻和 传热系数的计算，包括管外传热和管内传热。 (1)计算湿式部分对数平均温差 确定湿式部 分管内工质的进出口气温以及管外空气的设计气 温。本设计中工质进口温度t。一70。C，工质出口气 温t 一40，空气在干湿空冷器交界处的中间温度 t。一50。C。以设计气温采用“保证率每年不超过5 天的气温”为依据，根据场边环境气温，选取干球温 度t 一42。C，湿球温度t 。一30。C。现场测定空气 人口气温t 一45。C，根据上述数据计算光管部分的 对数平均温差约为105。 (2)确定光管传热面积A 需要做出湿式部 分散热裕量Q 与光管基面面积A 的曲线关系 图，从而得出aQ O时的光管传热面积A 。为保 证在一些特殊情况下散热器能够满足管内工艺流体 的散热，空冷器需留有足够的散热裕量，选择光管基 面面积A 时取值要稍大于A ，设计中选取A 12 A 。 23 计算结果 丘东采油厂混烃脱戊烷塔顶空冷器设计参数： 产量W 一31 th，热流量 ：1 5156 kW，设计压 力P 一20 MPa，风量W 。 一1080 th，喷水量 W 一2 th，喷水温度t 一20。丘东采油厂混 烃脱戊烷塔顶空冷器(新型干湿联合空冷器)的设计 结果见表1。 第4O卷第4期 2011年7月 石油化工设备 PETROCHEMICAL EQUIPMENT Vo140 No4 July 2O11 文章编号：10007466(2011)04 003903 湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算 毛新章 ，王建江 ，熊 磊 ，于 超。，袁树礼。 (1吐哈油田机动设备管理处，新疆鄯善838202；2吐哈油田丘东采油厂， 新疆丘东838202；3中国石油大学(北京)机电学院，北京102249) 摘要：湿式空冷器在吐哈油田采油厂轻烃及炼化装置中应用广泛，但在运行中却存在着锈蚀严重、 使用寿命短的问题，其中以吐哈油田丘东厂区湿式空冷器的腐蚀情况最为严重。针对这些问题提 出了设计新式干湿联合空冷器的优化方案，并进行了设计计算和基于计算机辅助的热力校核，经过 验证可以满足现场要求。 关键词：湿式空冷器；干湿联合空冷器；优化设计；计算机辅助 中图分类号：TE 965；TQ 0502 文献标志码：B Optimal Design and Computer-aided Calculation of Wet Air Condensers MAO Xinzhang 。WANG Jian-j iang，XIONG Lei。，YU Chao3，YUAN Shuli。 (1Mechanical Equipments Management，Tuha Oilfield，Shanshan 838202，China；2Qiudong Oil Production Plant，Tuha Oilfield，Qiudong 838202，China；3College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum(Beijing)，Beiiing 102249，China) Abstract：The wet air condensers are widely applied in light hydrocarbon recovery units of Tu ha OilfieldSome typical problems exist，such as serious corrosion and short service 1ire，espe cially in the Qiudong refineryTo resolve these problems，a new drywet air cooler as an optimal design method was designed，the computeraided numerical calculations that prove the feasibility and practicality are provided Key words：wet air condenser；drywet air condenser；optimal designcomputeraided 湿式空冷器作为干式空冷器的改进和发展，综 合了空冷和水冷的优点，在炼化行业得到了越来越 广泛的应用。吐哈油田目前共有25台现役湿式空 冷器，作为有效的冷却设备之一，这些空冷器在生产 工艺流程中承担着重要作用1 。由于吐哈油田地 区水质较差，盐碱含量较高，加之风沙较大，导致空 冷器结垢的腐蚀严重 ，每次检修均需要进行清洗， 从而增加了设备腐蚀速度、资金投入，降低了设备使 用寿命。 针对上述问题，文中对吐哈油田现有湿式空冷 器的运行状况和相关数据进行校核与分析，在此基 础之上进行了优化设计并完成了设计方案的相关计 算和可行性评价。 1 丘东采油厂湿式空冷器优化方案 目前，有25台湿式空冷器(表面蒸发型和增湿 型两种)在吐哈油田使用，主要分布在温米厂区、丘 东厂区以及吐鲁番厂区。其中丘东厂区湿式空冷器 的腐蚀情况最为严重，4套表面蒸发式空冷器(丙烷 空冷器、凝析油脱丁烷塔顶空冷器、天然气脱丁烷塔 表面蒸发式空冷器、混烃脱戊烷塔空冷器)投入使用 不到4 a，由于严重的腐蚀问题而面临报废。 针对丘东采油厂表面蒸发式空冷器的实际应用 状况，采取新型干湿联合空冷器是一个比较理想的 收稿Et期：201002 20 作者简介：毛新章(1971一)，男，新疆吐鲁番人，工程师，学士，主要从事化学工程及设备管理工作。