注汽鍋爐套管式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

徐 斌

（太原市精益市政工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030002）

引言

石油主要應(yīng)用于汽車運輸領(lǐng)域，我國的稠油資源十分豐富，在我國原有結(jié)構(gòu)中占比較大。針對稠油主要采用向油井注蒸汽熱采的工藝，而注汽鍋爐是產(chǎn)生高溫高壓蒸汽的關(guān)鍵設(shè)備，作為稠油開采的關(guān)鍵設(shè)備，其運行的效果直接決定稠油開采的效率和成本。本文重點針對注汽鍋爐的套管式換熱器結(jié)構(gòu)過于龐大，導致其在實際應(yīng)用應(yīng)力復雜的問題，通過數(shù)值模擬和有限元分析的方式對現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，最終達到強化傳熱技術(shù)的基礎(chǔ)上達到減小換熱器體積和重量的目的[1]。

1 注汽鍋爐套管式換熱器的數(shù)值模擬研究

本節(jié)將對注汽鍋爐套管式換熱器的內(nèi)流場和結(jié)構(gòu)多場耦合進行分析。本文所研究套管換熱器分為內(nèi)管和外管兩部分。其中內(nèi)管直徑為73 mm，長度為11 mm；外管直徑為121 mm，長度為14 mm。其中，圓形空間走高溫水，環(huán)形空間走常溫水。

1.1 套管換熱器的內(nèi)流場數(shù)值模擬研究

根據(jù)套管換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸基于Pro 建立幾何三維模型，為兼顧仿真結(jié)果和簡化仿真計算量，將套管式換熱器的幾何模擬劃分為156 萬個網(wǎng)絡(luò)單元格[2]。設(shè)定換熱器內(nèi)管避免的粗糙度為0.06 mm，根據(jù)實際工況對6 種工況下的內(nèi)流程進行數(shù)值模擬研究，6 種工況對應(yīng)的數(shù)值模擬邊界條件如表1 所示。

表1 6 種工況對應(yīng)的數(shù)值模擬邊界條件

基于上述模型設(shè)置得出如下仿真結(jié)論：

1）沿著內(nèi)部流體的流動方向，內(nèi)管內(nèi)壁、內(nèi)管外壁和外管外壁的溫度逐漸降低。其中，內(nèi)管內(nèi)壁溫度從260 ℃降低為147 ℃，內(nèi)管外壁溫度從248 ℃降低為30 ℃，外管外壁溫度從120 ℃降低為20 ℃。而且，在換熱器彎頭和接頭位置的由小范圍的溫度突變的情況，從而導致存在該位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的情況[3]。

2）沿著流體的方向，對應(yīng)內(nèi)管和外管內(nèi)流體的速度降低，導致上述現(xiàn)象的主要原因為沿著流體的方向，流體的溫度降低，對應(yīng)的流體密度增大，對應(yīng)阻力增大。

3）對于內(nèi)管內(nèi)壁而言，沿著流體方向壓力降低；對于內(nèi)管外壁和外管內(nèi)壁的流體而言，沿著流體方向壓力有所升高。

4）在不同工況下管道內(nèi)的壓力損失如圖1 所示。

1.2 套管換熱器結(jié)構(gòu)多場耦合分析

本小節(jié)將重點對套管換熱器開展有限元分析研究，根據(jù)20 G 鋼的材料屬性對套管換熱器有限元模型進行設(shè)置，尤其是將20 G 鋼在不同溫度下彈性模型、泊松比、密度以及比熱容等參數(shù)對應(yīng)的物理性能進行設(shè)置；為取得較為準確的仿真結(jié)果，將套管換熱器的網(wǎng)格劃分為228 580[4]。在仿真模型準確建立的基礎(chǔ)上，分別對重力載荷下以及不同工況參數(shù)下套管換熱器的應(yīng)力情況進行對比。

1）重力載荷下對應(yīng)套管換熱器的應(yīng)變及應(yīng)力仿真。通過仿真分析可知，僅在重力載荷的作用下，套管換熱器整體結(jié)構(gòu)在橫向方向的最大變形量為4.19 mm，在縱向方向的最大變形量為29.78 mm；套管換熱器的外管設(shè)有專有量進行支撐，導致其外管的變形量不大，僅為0.9 mm。對于應(yīng)力仿真結(jié)果而言，套管換熱器外管彎頭處的應(yīng)力最大為21.1 MPa；而對應(yīng)內(nèi)管結(jié)構(gòu)而言，其最大應(yīng)力位于內(nèi)管與外管的連接位置處，最大應(yīng)力為25.9 MPa。

2）不同工況參數(shù)對應(yīng)套管換熱器的應(yīng)力及應(yīng)變仿真結(jié)果。仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 不同工況參數(shù)套管換熱器應(yīng)力及應(yīng)變仿真結(jié)果

由表2 可知，套管換熱器的應(yīng)力隨著水量和壓力的增加，對應(yīng)在內(nèi)管和外管相連接的位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，最大值為314 MPa，該位置的溫度值為190 ℃；換熱器管段的最大應(yīng)力值為123 MPa，該位置的溫度值為104 ℃。

通過對套管式換熱器多場耦合數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，了解到導致套管換熱器傳熱和結(jié)構(gòu)強度的主要薄弱環(huán)節(jié)為直管部分。

2 套管式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對換熱器直管部分的缺陷，為了提高換熱器整體的傳熱系數(shù)，提高換熱器的結(jié)構(gòu)強度，從根本上解決傳熱強化和壓力損失之間的矛盾，本文采用波紋管的形式替換直管形式，一般波紋管的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

結(jié)合波紋管設(shè)計標準，一般要求弧形段直徑d2和直線段的直徑d1的比例控制在1.3～1.5 之間；將弧形段長度L2和直線段長度L1的比例控制在0.3～0.6之間；將直線段長度L1與直線段的直徑d1的比例控制在0.35～0.55 之間。將波紋管的壁厚設(shè)定為11 mm[5]。結(jié)合原注汽鍋爐套管式換熱器直管部的結(jié)果，并參照上述比例，設(shè)計波紋管參數(shù)的正交表如表3 所示。

表3 波紋管正交數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 mm

將上述四類，三組參數(shù)組成的12 種組合下對應(yīng)的換熱量、內(nèi)管壓差、環(huán)隙壓差進行對比。通過仿真分析可知：

1）上述四個參數(shù)對換熱量影響最大的為弧形段外徑；對內(nèi)管壓差影響最大的參數(shù)為直線段內(nèi)徑；對環(huán)隙壓差影響最大的參數(shù)為弧形段外徑。

2）綜合對比，最終得出波紋管內(nèi)徑為50 mm，外徑為80 mm，直線段長度為20.4 mm，圓弧段長度為28 mm。

3 結(jié)語

換熱器為注汽鍋爐套管的關(guān)鍵部件，其包括有內(nèi)管和外管組成的圓形和環(huán)形換熱機構(gòu)，對于注汽鍋爐套管的高效、安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。通過對波紋管內(nèi)流場和結(jié)構(gòu)多場耦合仿真分析，得出導致?lián)Q熱器傳熱效率低且結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主要薄弱環(huán)節(jié)為直管部分。因此，本文針對性的對直管部分進行改造，改造后波紋管的關(guān)鍵尺寸如下：內(nèi)徑為50 mm，外徑為80 mm，直線段長度為20.4 mm，圓弧段長度為28 mm。