一種最優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)
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作者：張海音
在換熱網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性改造（擴(kuò)能、原料與產(chǎn)品產(chǎn)量調(diào)整）過程中，強(qiáng)化傳熱技術(shù)也有其獨(dú)到的優(yōu)勢。對于管殼式換熱器而言，強(qiáng)化傳熱可以通過殼程或管程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)限制性熱阻來自管程時(shí)，換熱網(wǎng)絡(luò)改造中最適宜應(yīng)用的強(qiáng)化傳熱技術(shù)為管內(nèi)擾流技術(shù)，通過管內(nèi)擾流元件強(qiáng)化傳熱提高設(shè)備的總傳熱系數(shù)，可有效減少新增換熱面積，同時(shí)改造費(fèi)用在各類傳熱強(qiáng)化技術(shù)中是最低的，常用管內(nèi)擾流元件有彈簧、扭曲帶和線圈等。本文中通過理論結(jié)合實(shí)際工業(yè)案例的方法，研究了管內(nèi)強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造過程中的應(yīng)用，形成了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造過程中使用管內(nèi)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的優(yōu)選方法，并通過工業(yè)實(shí)例研究驗(yàn)證了該方法的可行性。
1強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中應(yīng)用的方法建立
在換熱網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性改造過程中，一些換熱器常常需要新增換熱面積才能夠滿足新的工況。新增面積可以通過重排換熱管束或新增換熱器的方式實(shí)現(xiàn)，如果引入強(qiáng)化傳熱技術(shù)，需要新增的換熱面積將會大幅減少，甚至有些換熱器不需要新增換熱面積即可滿足新的操作工況。
要選擇適宜的強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造時(shí)應(yīng)用，首先要確定哪些換熱器需要新增換熱面積以適應(yīng)新的操作工況，其次是在綜合考慮效果與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的方法研究確定合適的強(qiáng)化傳熱技術(shù)。
本文中的研究對象是由石化行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的管殼式換熱器組成的換熱網(wǎng)絡(luò)，該類換熱器的總傳熱系數(shù)總是小于管、殼兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)中的最小值。當(dāng)兩側(cè)對流傳熱系數(shù)相差較大時(shí)，只有提高較小一側(cè)的對流傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)才能有顯著提高。假設(shè)待優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)中某臺換熱器需要新增換熱面積AA，才能滿足新工況下的換熱需求，若通過強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用來滿足這種需求，則有等式(1)成立：
式中，Ao為已有換熱器面積；U為已有換熱器總傳熱系數(shù)；UH為采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)后，換熱器的總傳熱系數(shù)；△T為對數(shù)平均溫差。
管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)可表示為式(2):
式中，ai為管內(nèi)對流傳熱系數(shù)；d。為換熱管傳熱系數(shù)；a。為管外對流傳熱系數(shù)；R．與R。分別為管、殼程的污垢熱阻。
若將管程污垢熱阻計(jì)人管程熱阻并表示為l/h,，將殼程污垢熱阻計(jì)入殼程熱阻并表示為l/ha。則總傳熱系數(shù)可簡化為式(3):
結(jié)合式(1)，采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)滿足新工況下的換熱面積需要時(shí)，采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)后的總傳熱系數(shù)UH要滿足式(4)條件：
當(dāng)限制性熱阻來自管程時(shí)，如果采用管內(nèi)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，滿足換熱面積增加的需求，聯(lián)合式(3)和式(4)，采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)后的管內(nèi)傳熱系數(shù)h?需要滿足式(5)條件：
本研究中，為了直觀表示管內(nèi)擾流元件的強(qiáng)化傳熱效果，將管程污垢熱阻與金屬壁熱阻均計(jì)入管內(nèi)傳熱熱阻，將殼程污垢熱阻計(jì)人殼程傳熱熱阻。根據(jù)煉油換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，對于溫度低于300C的原油，管程污垢傳熱系數(shù)R．根據(jù)原油流速不同，在1 000~3 000 W／( m2．℃)，本文中取2 000 W／( m2.℃)。殼程油品性質(zhì)差別較大，產(chǎn)生的污垢傳熱系數(shù)在1 000~10 000 W／(m2 .℃），本文中為滿足換熱器的長周期運(yùn)行，殼程污垢傳熱系數(shù)尺。取2 500 W/( m2.℃)。金屬壁為碳鋼，傳熱系數(shù)a。取17 000 W／( m2．℃)。簡化后的管程傳熱系數(shù)計(jì)算如式(6)，殼程傳熱系數(shù)計(jì)算如式(7)所示。
2換熱網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性改造時(shí)取熱瓶頸的確定
某企業(yè)在需要多產(chǎn)柴油的季節(jié)中，通過增大頂循與中段回流量來滿足側(cè)線產(chǎn)品的產(chǎn)量增加需求與產(chǎn)品質(zhì)量保證。這種情況已是該企業(yè)的典型操作工況，通過Aspen Plus軟件搭建裝置與換熱網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格模型分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)的中段換熱器面積已不能滿足新工況下的取熱需求，一些熱量不能轉(zhuǎn)移到需要加熱的物流中，同時(shí)使塔的操作受限。
本文中研究的換熱網(wǎng)絡(luò)中，冷物流原油為重質(zhì)稠油，具有黏度大易結(jié)垢的特點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中全部置于換熱器管程，與側(cè)線采出餾分油及中段回流相比，原油的對流傳熱系數(shù)較小，而在管程形成的污垢熱阻則較大。本文中首先利用Aspen Plus軟件對該企業(yè)的典型工況進(jìn)行了建模，然后在獲得的物流與能流平衡數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了嚴(yán)格校核分析，通過模擬分析與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，確定所研究的5臺換熱器中，控制性熱阻均在管程，現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。圖1中，陰影標(biāo)記的換熱器El01和E102均不能滿足目前操作工況下的工藝取熱需求。
利用Aspen Plus搭建的裝置與換熱網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對本文中研究的換熱器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果如表1所示。其中管程傳熱系數(shù)U與殼程傳熱系數(shù)U。分別由式(6)與(7)計(jì)算得到。通過對所研究的5臺換熱器的多次模擬校核計(jì)算，將管內(nèi)傳熱系數(shù)Ui設(shè)為定值268 W／( m2 .oC)，這樣計(jì)算的結(jié)果不影響換熱器選擇。管程雷諾數(shù)R。則通過流體的管程流速與流體性質(zhì)計(jì)算得到。
通過以上分析發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡(luò)中，換熱器El01和E102換熱面積不能滿足裝置的典型工況。同時(shí)利用Aspen Plus軟件建立的裝置模型分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入換熱器E103的熱流股溫度可以降低5℃，這樣即有利于測線產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量，同時(shí)也能提高換熱網(wǎng)絡(luò)性能，減少加熱爐的燃?xì)庥昧�。�?yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)中換熱器的運(yùn)行參數(shù)與需要新增的換熱面積見表2。其中滿足新工況而不增加換熱面積時(shí)，采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)后的總傳熱系數(shù)要達(dá)到的最小UH由式(4)計(jì)算得到。
換熱網(wǎng)絡(luò)中熱流量優(yōu)化后，換熱器E103由于熱負(fù)荷增加導(dǎo)致?lián)Q熱面積不能滿足典型工況需求。換熱器E104和E105傳熱溫差變小，導(dǎo)致E104換熱面積不能滿足操作需求，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。圖2中，陰影標(biāo)記的換熱器El01、E102、E103和E104均不能滿足優(yōu)化后操作工況下的取熱需求。
3強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應(yīng)用研究
通過對該裝置典型工況下局部換熱網(wǎng)絡(luò)的分析發(fā)現(xiàn)，一些換熱器的面積已不能滿足新工況下的操作需求，傳統(tǒng)的做法是新增換熱器來滿足新的工藝操作。如果能夠通過強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用，滿足新工況的工藝取熱需求，則可以節(jié)省投資與減少占地。
本文中在實(shí)驗(yàn)與前人研究的基礎(chǔ)上，分析了2種管內(nèi)擾流元件在不同雷諾數(shù)(Re)時(shí)對管程對流傳熱系數(shù)的提高作用，以及對壓降的影響，得到如圖3所示的曲線。同時(shí)計(jì)算了不同規(guī)格的擾流元件在本文中研究的換熱器中應(yīng)用時(shí)，對管內(nèi)傳熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)的提高作用，結(jié)果如表3所示．表3中，hi／hi表示擾流元件對管內(nèi)傳熱系數(shù)的強(qiáng)化效果，該比值越大，表示強(qiáng)化傳熱效果越好。表：中f H/f表示擾流元件對管內(nèi)摩擦因數(shù)的影響，諺比值越大，則表示壓降的增加越大。
表3不同管內(nèi)擾流元件對管內(nèi)傳熱系數(shù)及壓降的影響
表3中，擾流元件R表示彈簧，N表示扭曲帶。//di表示擾流元件每扭轉(zhuǎn)180。的軸向長度與換熱管內(nèi)徑的比值，用來確定擾流元件的規(guī)格。
在綜合考慮強(qiáng)化傳熱與壓降增加的基礎(chǔ)上，本研究選擇了//d．=8.5的扭曲帶應(yīng)用到需要新增換熱面積的換熱器管程中，應(yīng)用后對管內(nèi)傳熱系數(shù)與總傳熱系數(shù)的提高作用如表4所示。
以上研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用管內(nèi)強(qiáng)化傳熱技術(shù)后，換熱器E108、Ell0、Elll均不需要新增換熱面積即能滿足當(dāng)前的典型操作工況。換熱器E109需要新增的換熱面積減少了約60 010。優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)中，冷物流進(jìn)加熱爐的溫度提高6℃，加熱爐的負(fù)荷減少了866 kW。
4結(jié)論
強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)改造中的應(yīng)用可顯著降低改造費(fèi)用，如果在較小的傳熱溫差下實(shí)現(xiàn)換熱需求，則熱公用工程可使用較低溫位熱源，冷公用工程可以使用較高溫位的冷源，從而可有效降低操作費(fèi)用，同時(shí)，材料消耗量與改造工作量也會大幅減少。
利用Aspen Plus軟件對實(shí)際案例中的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了嚴(yán)格模擬分析，在獲得裝置物流與能流平衡數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，找到了存在換熱面積不足的換熱器。通過研究強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造過程中的應(yīng)用，分析了強(qiáng)化傳熱技術(shù)對管程傳熱系數(shù)的提高以及對總傳熱系數(shù)的提高作用，建立了應(yīng)用管內(nèi)強(qiáng)化傳熱技術(shù)滿足新?lián)Q熱工況的方法。
分析了2種常用管內(nèi)擾流元件對管內(nèi)傳熱系數(shù)的提升作用，同時(shí)在綜合考慮強(qiáng)化傳熱與壓降損失的基礎(chǔ)上，選擇了適宜的管內(nèi)擾流元件，對該換熱網(wǎng)絡(luò)的改造而言，大大減少了新增換熱面積的需求，同時(shí)提高了換熱網(wǎng)絡(luò)性能，減少了加熱爐對燃料的消耗。
摘要：針對某煉化企業(yè)的常減壓裝置，利用Aspen Plus軟件模擬了裝置與換熱網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，找到影響裝置高效運(yùn)行的換熱瓶頸，并對現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)的熱流量進(jìn)行了優(yōu)化。建立了利用強(qiáng)化傳熱技術(shù)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)的方法，并在實(shí)際案例中應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)后，需要新增換熱面積大大下降，一些換熱器不需要新增換熱面積既能滿足新工況的需求。
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