重油催化裂化外取热器水动力特性计算.ppt

,350万吨年重油催化裂化 外取热器水动力特性计算方法,报告人：李会雄 教授 动力工程多相流国家重点实验室 西安交通大学,提纲,研究背景 外取热器的结构及其特殊性 水动力计算的数学模型及计算方法 计算结果及结论 小结,研究背景,水动力特性是锅炉（包括各种余热锅炉）运行可靠性的重要反映 管道的传热特性与效率 设备运行安全及可靠性，防止减小水力偏差，热力偏差，预防爆管 对自然水循环系统，水循环的动力较弱，水循环方面的问题更突出,作为余热锅炉的一种应用形式，外取热器技术在催化裂化装置中已经得到广泛的应用,外取热器工作条件恶劣，从高温催化剂中取热，热负荷分布不均匀水动力问题很重要； 外取热器换热管的结构形式复杂，连接形式变化多样采用常规的水动力计算方法很烦琐、工作量很大。 大连石化公司350万吨年重油催化装置的外取热器自2002年投入运行后，先后发生多次爆管或泄漏事故，严重影响正常生产的进行，带来重大经济损失可能与循环水动力有关。 鉴于此，本文采取一种计算机程序方法，计算并分析了外取热器管束的自然水循环能力及变化特性，从水循环角度分析了造成爆管的可能原因，为四催化外取热器的改进设计提供依据。,研究背景,外取热器结构及其特殊性,本研究中涉及2台外取热器 下流式外取热器（R1103B） 气控式外取热器（R1103A）。 这两台外取热器的结构不同 下流式外取热器用下滑阀调节取热量； 气控式外取热器则用返回管的提升风量来调节取热量。,外取热器结构：,图1 换热管结构简图,2台外取热器的换热管均采取套管式，其结构示意图如图1所示，内套管为下降管，外套管为上升管。 这种结构形式在整个汽水循环中可以等效为U型管的形式。,外取热器结构及其特殊性,外取热器结构：,图下流式外取热器 换热管布置,图4 下流式外取热器,下流式外取热器的结构示意图 见图4，共包括34根换热管；换热管布置方式如图2所示，分三圈沿圆周方向均匀分布；外圈布置16根换热管，中圈布置12根，内圈布置6根。,外取热器结构及其特殊性,图 气控式外取热器换热管布置,气控式外取热器的结构 见图3 与下流式外取热器的基本相同，共包含20根换热管； 换热管也是分三圈沿圆周均匀分布，外圈布置13根，中圈布置6根，1根在截面中心处。,外取热器结构及其特殊性,外取热器的换热管组成四个管屏。 下流式外取热器管路： 由下层水联箱600BFD1408和下层汽联箱600BFU1410组成的管屏代号为600BFD1408-600BFU1410，换热管18根，图2中换热管编号为1734。 管屏600BFD1409-600BFU1411，换热管16根，换热管编号为116。 气控式外取热器的管路 管屏600BFD1410-600BFU1412与管屏600BFD1411-600BFU1413，每个管屏有换热管10根，分别对应图3中110和1120的管子。,外取热器结构及其特殊性,图5 外取热器汽水流程图,管屏600BFD1410-600BFU1412与管屏600BFD1411-600BFU1413构成了气控式外取热器的管路，每个管屏有换热管10根，分别对应图3中1到10和11到20的管子,管屏600BFD1409-600BFU1411， 有换热管16根，对应于图2中编号为1到16的管子。这两个管屏共同组成了下流式外取热器管路,管屏，代号为600BFD1408-600BFU1410，有换热管18根，对应于图2中编号为17到34的换热管,汽水混合物的流程为：,外取热器结构及其特殊性,汽包(单相水),内、外套管底部转弯,上层联箱(2003年的改造中去掉了该上层联箱),下降管联箱,内、外套管之间(汽水混合物),换热器内套管,回汽下层联箱,回汽上层联箱,外取热器在2003年进行了改造，主要措施是将下降管及取热管的内套管均由DN100（114 ）改为DN150（ 168）；集中降水管由DN300变为DN350，而且下层联箱由DN500变为DN600；集中回汽管由DN300改为DN350，两层联箱均由原来的DN500改为DN600，集中回汽管与联箱的连接也是一分为二；汽管由DN150改为DN200。 在本研究中，分别对改造前、后的管路系统进行计算；然后，对采用加长管（下流式外取热器换热管加长400mm，气控式外取热器换热管加长500mm）时的外取热器的水动力特性也做了计算。,外取热器结构及其特殊性,可以看到，本文研究的汽水循环管路特殊下述几个方面的： 换热管采用了套管式结构，介质流程类似于U型管； 每一根换热管的尺寸不完全相同，而且，对应的水引入管和汽水引出管的长度也均不同； 换热管组成的四个管屏的结构、尺寸也完全不同; 上升管系统和下降管系统的没有明显、统一的界限； 外取热器水循环系统最低位置处没有下锅筒，所以每根取热管的管底（上升管段与下降管段的分界点）的压差各不相同。 包括汽包在内，本研究中的管路系统中有四层联箱。,外取热器结构及其特殊性,水动力计算的 数学模型及计算方法,本文主要比较了两种算法： 手工图解算法 计算机程序法 对二者的计算结果进行比较，验证计算机程序的可靠性。 采用计算机程序外取热器的水动力特性进行系统的计算、分析并得出结论。,表 外取热器的主要结构参数,计算中，汽包压力4.0MPa，汽包给水压力5.0 MPa，汽包给水温度170,水动力计算的 数学模型及计算方法,图6 简单循环回路,自然水循环锅炉水动力的压差解法的 基本原理,汽水介质的循环工作原理 示意图如图6所示， 汽水混合物在其中做上升流动的管段称上升管，水在其中做下降流动的管段称下降管。在锅炉稳定运行状态下，上升管和下降管从锅筒到下联箱之间的压差相等，可得,下降管压差，Pa,上升管压差，Pa,下降管的流动阻力Pa,上升管的流动阻力Pa,水的密度kg/m3,汽水混合物的密度kg/m3,下降管与上升管中的总工质流量应相等，即,联立求解上述方程即可获得循环回路的工质流量G*和运行压差P*。,自然水循环锅炉水动力的压差解法的 基本原理,说明： （）上述方程形式上很简单，但在具体求解Pxj和Pss的过程中，需要用到很多附加的方程，如气液两相截面含汽率的计算，气液两相压力降的计算，上升管内沸腾起始点的确定，气液两相局部阻力的计算。 （）对受热上升管，需要分段计算。分段越多越精确。 （）需要在假设的循环倍率下，做迭代运算计算量很大。,自然水循环锅炉水动力的压差解法的 基本原理,一般，对图所示的循环回路，在设计和校核计算中，常用图解法确定工质流量,和运行压差,并计算不同流量G时的下降管与上升管的压差,。先假设几个流量G，,和,然后分别绘出下降管与上升管的流量压差变化曲线，即,曲线。,自然水循环锅炉水动力的 图解法,在同一张图上，这两条曲线的交点就是水循环工作点解。,以管屏600BFD1411-600BFU1413为例，有10根换热管，假设每根管子的流量分别为,(i=1，210）；则每根管子的压力降,可表示为,i=1，10；则有方程组,式中，G为管屏的总流量， P为管屏的压差。同理，可以得出其他管屏以及下层汽连箱和下层水连箱的对应方程组。再由外取热器的流动平衡可得一个庞大的非线性方程组。,自然水循环锅炉水动力的 计算机程序法,在本计算中，共有72个流量变量，非线性方程组由72个方程组成。,自然水循环锅炉水动力的 计算机程序法,同样需要说明： （）上述方程形式上很简单，“P”和“fi(Gi)”的具体表达式可能很复杂，需要用到很多附加的方程，如气液两相截面含汽率的计算，气液两相压力降的计算，上升管内沸腾起始点的确定，气液两相局部阻力的计算。 （）计算中，也需要对受热上升管根据热负荷进行分段计算。分段越多越精确。 （）需要在假设的循环倍率下，做迭代运算由计算机自动完成。,读取数据文件,联箱间压降计算 引出管压降计算 下降管压降计算 汽水分离器压降计算,列非线性方程组,求解非线性方程 得出各管道流量,根据解出的流量重新 求得循环倍率,新的循环倍率 同初值比较,若不相等,结束,若相等,程序流程图,开始,设定初始循环被率 和 72根管道流量初值,以下给出管屏600BFD1411-600BFU1413的计算校验结果。,图 8联箱B与C之间的U形管路的流量压差特性曲线,步骤1. 如图8所示，分别求出下层水联箱B和下层汽联箱C之间的每根管子各自的压差和流量的关系，分别做图，然后根据压差相等流量叠加的原理，得出叠加后的管屏的总压差和总流量的关系曲线。,图解法的计算步骤,计算结果及结论,步骤2. 如图9所示，分别求出下层汽联箱C和上层汽联箱D之间的两根管子的压差和流量的关系，并分别做图，然后根据压差相等流量叠加的原理，得出叠加后的压差流量关系曲线。,图9 联箱C和D之间的流量压差特性曲线,图解法的计算步骤,计算结果及结论,步骤3. 如图10所示，求出上层汽联箱D和汽包A之间的压差流量关系，并做图得出关系曲线。,图10 联箱D和汽包A之间的流量压差特性曲线,图解法的计算步骤,计算结果及结论,步骤4. 求出汽水分离器的压差和流量的关系，并做图得出关系曲线，如图11所示。,图11 汽水分离器流量压差特性曲线,图解法的计算步骤,计算结果及结论,步骤5. 在上升系统中，各部分的压差和流量的关系都已求出，然后根据串联管组的工作的原理，即流量相等，压差叠加，做出上升系统总压差和总流量的关系曲线图。如图12所示。,图12上升系统的压差流量特性曲线,图解法的计算步骤,计算结果及结论,步骤6. 下降系统中，计算出汽包A与下层水联箱B之间的水引入管的压差与流量关系，分别画出二者的关系曲线，然后根据压差相等，流量叠加的原理做出总压差和总流量的关系曲线图，这便是下降系统的压差和流量的关系。如图13所示。,图13下降系统的压差流量特性曲线,图解法的计算步骤,计算结果及结论,步骤7. 根据上升系统和下降系统的压差和流量关系曲线的交叉点，便可找出这排管子的循环工作点（两线交点，见图14），进而由以上各图反向运算即可得出其每个管子的循环流速，循环倍率等数据，了解外取热器的工作特性。,图14管屏工作点的确定,做图法的计算步骤,计算结果及结论,工作点,做图法的计算结果及对计算机程序法的校验,根据做图法，如图14所示，得出此管屏的循环流量为336.651504 kg/s,管屏中下层水联箱和汽联箱间的压差为44.4298346 KPa。 由计算机程序计算的结果为：管屏总流量345.89Kg/s，管屏中下层水汽联箱间的压差为42.80KPa。,计算结果及结论,可以看出，在外取热器的蒸发量为220t/h时，由做图法得出的结果与用计算机程序法得出的结果相比较，管排的流量、各部分压差的相对误差均在4以内，由此证明计算机程序和算法是可靠的。 对其它管屏的计算得出相同结论计算机程序可靠。,外取热器水动力特性分析,在用作图法对程序的可靠性进行了校验的基础上，用所编制的程序和算法对外取热器 在均匀热负荷下、 三种规格的换热管（2003年改造前、改造后所采用的管子以及加长管）、 四种总蒸发量130t/h，150t/h，180t/h和220t/h时的水动力特性进行了计算。 通过计算，可以直接获得流过每一根换热管的循环水流量、循环流速、出口干度、单管循环倍率以及四个管屏的平均流量、循环倍率，还有整个外取热器汽水循环系统的流量及循环倍率等详细数据。,计算结果及结论,外取热器水动力特性分析,表 气控式外取热器管屏600BFD1410600BFU1412的水循环数据汇总,计算结果及结论,表 气控式外取热器管屏600BFD1411600BFU1413的水循环数据汇总,计算结果及结论,外取热器水动力特性分析,表 下流式外取热器管屏600BFD1409600BFU1411的水循环数据汇总,计算结果及结论,外取热器水动力特性分析,表 下流式外取热器管屏600BFD1408600BFU1410的水循环数据汇总,计算结果及结论,外取热器水动力特性分析,外取热器的水循环有下面一些特点： 在2003年未做改造前，整个外取热器的循环流速偏低，接近于设计推荐值 (0.40.8m/s)的下限；特别是，下流式外取热器管屏的循环流速均低于推荐的循环流速最小值（0.4m/s），水动力明显偏弱，储备不足；由此可以预见，在热负荷不均匀或其它因素造成运行工况波动时，这些管屏的循环水动力可能发生故障或出现管壁高温现象，导致管壁超温爆管。 2003年改造后，管屏的循环流速和循环倍率明显增大，均提升至推荐值范围之内，大大提高了受热管的冷却能力和安全性。结合2003年改造前经常发生爆管和泄漏事故的情况可说明，锅炉循环流速偏低、水循环动力不足应该是发生事故的主要原因之一。但值得说明的是，发生爆管和泄漏事故不仅仅是水动力的问题，还应该综合考虑其他方面的因素，如腐蚀、磨损等。 管屏600BFD1410600BFU1412和管屏600BFD1411600BFU1413的循环流速要明显高于管屏600BFD1409600BFU1411和管屏600BFD1408600BFU1410管屏，因此相对而言，其水循环的可靠性更高。这主要是由各管屏的管路结构决定的。,计算结果及结论,外取热器水动力特性分析,存在热偏差时的水动力特性计算结果及分析,表6 有热偏差时管屏600BFD1410600BFU1412中的热偏差管内的循环流速（单位:m/s）(说明：表中各括弧内的数据