基于HTRI對變換蒸汽過熱器的優化設計

曹真真，王現利，王亞樂

(河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南新鄉 453731)

煤化工項目變換裝置第一變換爐(R1501)內反應熱通過副產S40級中壓過熱蒸汽(壓力為4.2 MPa，溫度為398 ℃)及預熱變換爐進口原料氣的方式回收，第二變換爐(R1502)反應熱通過副產次中壓蒸汽或低壓蒸汽的方式回收。在不同時期建設的變換裝置中，熱量回收在原有流程基礎上有所改進，結合老裝置實際運行經驗，在新建變換裝置設計過程中，利用HTRI軟件對蒸汽過熱器(E1502)進行設計優化，以滿足裝置運行期間的不同操作工況，保障系統穩定運行。

1 變換裝置副產蒸汽流程對比

1.1 1#變換裝置副產蒸汽流程

1#變換裝置副產蒸汽流程為變換裝置副產蒸汽的傳統流程(見圖1)，整體流程為變換氣與鍋爐給水呈全逆流形式換熱，中壓鍋爐給水經過逐級提溫，在E1502出口提溫至S40級的過熱蒸汽。其中R1502因采用的是傳統變換爐，CO反應轉化率較低，其出口氣體熱量主要用于預熱變換系統冷凝液及高壓鍋爐給水，剩余熱量則通過副產S05級的低壓蒸汽(壓力為0.52～0.53 MPa，溫度為165 ℃)消耗。

圖1 1#變換裝置副產蒸汽流程

1.2 2#變換裝置副產蒸汽流程

2#變換裝置副產蒸汽流程(見圖2)在1#變換裝置副產蒸汽流程的基礎上有所改進。首先，從R1501出口的變換氣按照45∶55的體積比分為兩路，分別用于副產過熱蒸汽及預熱R1501進口變換氣。其次，R1502采用等溫變換技術，其CO的反應轉化率相對于傳統變換爐來說提高了1.27倍，反應生成熱也會相應提高，與R1502配套的汽包中通過副產2.7 MPa的次中壓蒸汽來回收熱量。

圖2 2#變換裝置副產蒸汽流程

1.3 對比分析

2#變換裝置副產蒸汽流程中，R1501出口分為兩路進入E1501及E1502，此種方式可以增大E1501的傳熱溫差，使得在同等換熱負荷下可以適當減小換熱器的面積，減少設備投資。

2#變換裝置副產蒸汽流程中，R1502因采用等溫變換爐，變換反應熱通過副產次中壓蒸汽進行熱量回收，1#變換裝置副產蒸汽流程中R1502出口溫度為295.5 ℃，熱值低，通過加熱變換凝液及預熱去鍋爐脫鹽水的方式回收熱量。

1#變換裝置副產蒸汽與2#變換裝置副產蒸汽流程運行參數對比見表1。由表1可以看出：2#變換裝置副產蒸汽流程在副產S40級過熱蒸汽、S05飽和蒸汽的同時，副產2.7 MPa次中壓飽和蒸汽23 379 kg/h，熱量回收方式更加經濟。

表1 1#與2#變換裝置流程運行參數對比

根據1#變換裝置副產蒸汽流程運行經驗，變換副產S40蒸汽運行過程中催化劑活性逐漸下降，催化劑運行后期R1501出口溫度會逐步降低(目前最低降至410 ℃)，直接影響S40級蒸汽的過熱溫度，且在實際運行過程中，為回收高品質的S40級蒸汽并降低E1503出口變換氣的運行溫度，將會對S40級蒸汽進行降壓操作。因此，E1502換熱面積不僅需要滿足正常運行工況，而且需要滿足R1501催化劑運行后期出口溫度較低時、過熱蒸汽壓力較低時過熱器蒸汽出口溫度在400 ℃以上的工藝需求。

2 HTRI設計優化

目前，在國內化工裝置設計過程中，換熱器的工藝設計計算所依賴的計算機軟件主要有2款，分別為美國傳質及換熱協會研發的HTRI軟件[1]和基于ASPEN軟件基礎上的EDR換熱器計算軟件，兩者在換熱器設計市場中的應用均比較廣泛。筆者利用HTRI軟件，結合實際運行經驗值，對E1502進行校核優化設計。

2.1 設計工況

1#、2#變換裝置副產蒸汽流程的E1502運行參數見表2。初始設計中，1#變換裝置副產蒸汽流程與2#變換裝置副產蒸汽流程在過熱蒸汽產汽質量流量相差5.22 t/h的情況下，換熱面積相同，初步認為2#新建變換裝置中E1502設備換熱面積偏小，故結合實際運行經驗，對2#變換裝置副產蒸汽流程中的E1502在4種工況下對設備進行校核驗算。4種工況分別為：工況一為表2中2#變換裝置副產蒸汽流程；工況二為在工況一基礎上，E1502副產過熱蒸汽壓力為3.4 MPa；工況三為在工況一基礎上，R1501出口溫度為410 ℃；工況四為在工況一的基礎上，E1502副產過熱蒸汽壓力為3.4 MPa、R1501出口溫度為410 ℃。

表2 1#與2#變換裝置副產蒸汽流程E1502運行參數對比

2.2 換熱器參數方案

根據初始換熱器設計參數及場地平面布局，選定2個換熱器設計方案進行校核計算：方案一為BEU型換熱器，內徑為1 300 mm，換熱管參數為Φ25 mm×2 mm×3 500 mm；方案二為BEU型換熱器，內徑為1 300 mm，換熱管參數Φ25 mm×2 mm×4 000 mm。

2.3 輸入參數及結果分析

(1)在HTRI管殼式換熱器模型中直接輸入E1502工況一條件下的冷熱物流參數，包括物料的流量、壓力、氣化率、污垢熱阻等參數。其中，因變換氣體為多種組分的混合物，其物性參數需要從文獻或工藝包中獲得，或者通過ASPEN工藝流程模擬軟件中得到。利用軟件間的導入接口將物性數據從ASPEN中導入HTRI，從而保證計算的準確性，導入的物性數據主要有介質的導熱系數、密度、熱容、黏度等(見圖1)。

圖1 物性數據導入HTRI后對話框

(2)輸入換熱器的相關結構參數，通過調整管束布局、管束與殼程間距、擋板等參數使其滿足國標要求(見圖2、圖3)，最終輸出不同工況下換熱器面積余量及壓降。依據4種操作工況及2種換熱器方案不同組合方式，得出表3中不同工況的校核結果。

圖2 換熱器結構設計參數對話框

圖3 換熱器管束間隙調整對話框

表3 不同工況校核結果

換熱器的校核計算輸出結果中[2]，除了需要換熱面積余量、管程壓降、殼程壓降滿足設計要求外，還要對換熱器管束的振動情況、熱阻分布、管殼程介質流速、殼程流體的折流板管孔與管子間的泄漏流路比例A、流體流經折流板缺口處的錯流流路比例B等流體通過比例進行分析，保證換熱器計算結果無振動[3]、錯流流路比例分析值B在0.6以上(見圖4)。

圖4 結果輸出對話框

經查《化工工藝設計手冊》[4]可知，換熱器的面積余量在15%以上時為合格，根據表3分析可知，換熱器運行壓降均合格，實際運行過程中對過熱蒸汽進行降壓操作對E1502的換熱效率并未產生不利的影響，初始設計參數方案一滿足運行要求；催化劑運行末期R1501出口溫度降低至410 ℃時，初始設計換熱器的面積余量僅為4%左右，不滿足換熱器的設計要求，需要對換熱器進行加大處理。故經過對比，新建裝置E1502最終進行方案變更，采用方案二。

3 結語

(1)結合實際運行參數對新建裝置進行驗算，對于其設計工作進行指導是非常必要的。新建裝置R1501在工藝包數據中共列舉出了12種操作工況，但與實際裝置運行對比發現，仍然存在工況的丟失。出現此種情況可能是受工人操作、催化劑廠家選擇等多方面原因的影響。

(2)HTRI軟件為裝置設計工作提供較大幫助，工程技術人員掌握后可以對設計結果進行校核，從操作運行角度規避設計失誤。