高黏原油熱交換器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計

李 晉，劉紀堯

（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

李 晉，劉紀堯

（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，海洋石油平臺設(shè)備空間受限，需要根據(jù)實際工況進行優(yōu)化設(shè)計。利用FORTRAN語言、EDR和SW6軟件等工具進行求解，得到最優(yōu)化設(shè)計方案，求解結(jié)果準確可靠，節(jié)省平臺空間且成本低。針對海洋石油平臺工況，總結(jié)出高黏原油熱交換器設(shè)計的經(jīng)驗和規(guī)律。

高黏原油；熱交換器；優(yōu)化設(shè)計

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.46

0 引言

熱交換器是海洋石油平臺常用熱量交換設(shè)備，它不僅可以單獨作為加熱器、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，對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很小，一般計算所得熱交換器尺寸比較大[2]，而海洋石油平臺對空間的要求很高，所以需要對熱交換器尺寸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以期設(shè)計結(jié)果既節(jié)省材料，又符合實際工況要求。在解決上述問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合常規(guī)熱交換器設(shè)計經(jīng)驗，就可設(shè)計出既經(jīng)濟、又符合海洋石油平臺設(shè)計生產(chǎn)工況的熱交換器。

1 設(shè)計方案選擇

根據(jù)甲方給定的基礎(chǔ)資料，結(jié)合平臺實際工況，經(jīng)過簡單計算，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)垢嚴重，需經(jīng)常進行機械和化學清洗，而浮頭式熱交換器優(yōu)點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到湍動從而傳熱效果好[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)常進行管外機械清洗，因此，為操作方便，需選用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排管。進一步考慮，轉(zhuǎn)角正方形排管在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動比正方形擾動劇烈，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軟件進行試算，結(jié)合計算結(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出口流通面積。因此，根據(jù)計算結(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，還需要根據(jù)傳熱學知識優(yōu)化設(shè)計確定換熱管直徑、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

2.1 換熱管直徑的優(yōu)化設(shè)計

原油熱交換器容易結(jié)垢，需要經(jīng)常機械清洗，通過與業(yè)主操作方溝通，保證清洗方便的最小管徑為19 mm。按照標準推薦要求，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）為研究對象進行計算。3種換熱管對應(yīng)的管心距按照標準推薦為19～25 mm，25～32 mm，30～38 mm。為方便模擬計算，設(shè)定4個基本參數(shù)。①利用SW6進行強度計算（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)驗公式進行計算；④功率變量取值300～550 kW。

根據(jù)前面建立的數(shù)學模型，以整臺熱交換器用料噸位為計算目標，借助FORTRAN語言工具進行計算，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)備總重量對比

由圖1可見，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，3種不同管徑熱交換器計算所得重量分別為19.8 t，23.2 t和26.4 t。產(chǎn)生差別的主要原因有2個：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[4]研究結(jié)果吻合。由于流速較低，利用EDR軟件進行振動模塊核算，結(jié)果表明，使用19 mm的換熱管可以滿足振動要求。

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

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，但是流動阻力也越大，所以折流板設(shè)置的基本原則是：在不超過許用壓降（100 kPa）的基礎(chǔ)上，盡量減小折流板間距。標準規(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碳鋼管的最大無支撐跨距為1500 mm。基于此，本模型折流板間距取值280～750 mm。為方便模擬計算，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)驗公式進行工藝計算，研究選擇不同折流板（單弓形、雙弓形、三弓形）型式時，壓力降和管外對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著折流板間距的變化，模擬計算結(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，折流板間距越大，熱交換器壓降越小；相同折流板間距，壓力降大小關(guān)系為單弓＞雙弓＞三弓。當單弓形折流板間距為330 mm時，單弓、雙弓和三弓3種不同型式折流板計算所得設(shè)備壓降分別為99.6 kPa，77.3 kPa和63.5 kPa。由圖3可見，折流板間距越大，管外對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越小；相同折流板間距，管外對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大小關(guān)系為單弓＞雙弓＞三弓；按照標準規(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算所得最大對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，在折流板間距330 mm時為78.8W/（m2·K），折流板間距280 mm時為 75.5 W/（m2·K）和50.7 W/（m2·K）。

綜上，當單弓形折流板間距為330 mm時，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

以高黏原油熱交換器對研究對象，在建立物理數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，借助 FORTRAN語言、EDR和SW6軟件等工具進行最優(yōu)化設(shè)計研究，得到3個結(jié)論。

（1）對于高黏原油熱交換器，通過基礎(chǔ)計算和常規(guī)經(jīng)驗，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個重要參數(shù)需要通過優(yōu)化設(shè)計來確定。

（2）換熱管直徑的優(yōu)化選擇。以設(shè)備重量最小為設(shè)計優(yōu)化目標，同時進行工藝和強度計算，得到最為節(jié)省材料的方案，設(shè)計方案應(yīng)盡量提高管內(nèi)外對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，以期減小的熱交換器尺寸，節(jié)省平臺空間，最終設(shè)計結(jié)果還需要校核熱交換器振動工況。

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

對原油熱交換器設(shè)計進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)計思路和優(yōu)化方法，按照文中的設(shè)計原則進行優(yōu)化設(shè)計，可以得到既經(jīng)濟、又合理的熱交換器設(shè)備。所述設(shè)計方法，對海洋石油平臺高黏流體熱交換器具有普遍指導意義。

［1］KUPPAN T.熱交換器設(shè)計手冊［M］.錢頌文,譯.北京:中國石化出版社，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，陳樹新.高黏流體傳熱的仿真計算及熱交換器設(shè)計［J］.化工裝備技術(shù)，1996，17（2）:16-19.

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〔編輯 凌 瑞〕