（化学工程专业论文）催化裂化装置外取热器自然循环水动力特性计算与分析.pdf

摘要 本文研究了外取热器管束的自然水循环能力及变化特性，为大连石化公司3 5 0 万吨 年重油催化装置外取热器的改进设计提供了科学依据，主要研究工作如下： ( 1 ) 根据外取热器的水动力与普通锅炉的水动力的区别及外取换热器结构的特殊 性，建立了外取热器的水动力特性的物理及数学模型，并分别采用了稳定流动平衡法( 作 图法) 和计算机程序法来计算确定外取热器的水动力特性及其稳定性，并且对计算结果 和运算效率进行了比较分析和互相校验，得到了计算机程序法具有通用性和方便性的结 论。 ( 2 ) 采用计算机程序法来计算各种工况下外取热器的水循环特性，并比较了外取热 器在改造前后的水动力循环特性的变化。详细比较分析了集中降水管、下层联箱、下降 管及取热管、集中回汽管中管径和管长对外取热器水循环系统的水动力特性的影响。 ( 3 ) 根据计算结果，分析了在平均热负荷和有热偏差两种情况下，外取热器两个管 屏的循环倍率、循环流速、单管流量以及总流量等水动力特性参数的变化规律，并依此 分析了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，导致管壁超温爆管或 加剧管壁的腐蚀的影响因素，并对防止这些故障的发生，提出了改进意见 关键词：催化裂化，外取热器，水动力特性 h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sf o re x t e r n a lh e a tc o l l e c t o ro f c a t a l y t i cc r a c k i n ge q u i p m e n tw i t hn a t u r a lc i r c u l a t i o n t a ny u a n p e n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f o s rl if a y o n ga n dp r o 缸s o rj i ny o u h a i a b s t r a c t 砸sp a d e l i n v e s t i g a t e st h et h e r m o m e t e r st a k i n gc o n t r o lo f t h en a t u r a lw a t e rc y c l ei nt h e t u b e so f h e a te x c h a n g e ra n di t sc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c h i n gr e s u l t sp r o v i d ea s c i e n t i f i cb a s i sf o rd a l j a np o r o c h c m i c a lc o m p a n yt oi m p r o v et h ed e s i g no f o u t s i d eh e a t e x c h a n g e ro f 3 5m i l l i o nt o n s y e a rh e a v yo i lc a t a l y t i cd e v i c e s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka 聆 笛f o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h eh y d r o d y n a m i cd i f f e r e n c ef r o mt h eo u t s i d eh e a te x c h a n g e ra n dt h e o r d i n a r yb o i l e r , a n dt h es p e c i a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eo u t s i d eh e a te x c h a n g e r , t h e p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so f i t sh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ee s t a b l i s h e d t h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yo f t h eo u t s i d eh e a te x c h a n g e ra r ec a l c u l a t e da n d d e t e r m i n e dw i t ht h es t e a d yf l o wb a l a n c em e t h o d ( m a p p i n g ) a n dt h ec o m p u t e rp r o g r a m 1 1 硷 c o n c l u s i o ni si n c l u d o dt h a tt h e c o m p u t e rp r o g r a mh a st h ev e r s a t i l i t ya n dc o n v e n i e n c eb y c h e c k i n g t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa g a i n s tt h eo p e r a t i n gr e s u l t s f 2 1t h et h e r m o m e t e r so f t h ew a t e rc y c l ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ev a r i o u sc o n d i t i o na r e c a l c u l a t e db yu s i n ga c o m p u t e rp r o g r a m ，a n dc o m p a r e dw i t ht h eh e a tf r o mt h ew a t e rb e f o r e a n da f t e rt h et r a n s f o r m a t i o no f d y n a m i cc y c l eo f c h a n g e i ti sa n a l y z e dd e t a i l e dt h a tt h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eo u t s i d eh e a te x c h a n g e ra r ea f f e c t e db yt h ec o n c e n t r a t e d r a i n f a l l ，t h el o w e rd e c kb o x e s ，d o w nf r o mh e a tp i p ea n dt u b e c o n c e n t r a t e di ut h eb a c ks t e a r n p i p ee x t e r n a ld i a m e t e ra n dt u b el e n g t hf r o mt h eh o t w a t c re k e u l a t i o ns y s t e r n ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e dr e s u i t s ，t h ea v e r a g eh e a tl o a da n dh e a td e v i a t i o nb o t h c a s e sa r ea n a l y z e d ，t h ec h a n g i n gl a w so f t h er e c y c l i n gr a t i oa n dt h er e c y c l i n gr a t ei nt w ot u b e s c r e e n so f t h eo u t s i d eh e a te x c h a n g e r , t h es i n g l e t u b ef l o wa n dt h ef l o wp a r a m e t e r so f t h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ee h a n g i n gl a w s ，t h er e a s o n sf o r r e s u l t i n gi nt h a tt h e s es c r e e nc y c l i n gh y d r o d y n a m i c sm a y o c c u ff a i l u r eo rt h e 1 1 i g h t e m p e r a t u r ep h e n o m e n ao f t u b ew a l l ，t h eo v e r h e a t i n ge x p l o s i o no f t h et u b ew a l l ，t h e e x a c e r b a t i n gt h ee f f e c t so f c o r r o s i o na r es t u d i e d t h ei m p r o v e m e n t sa r es u g g e s t e dt op r e v e n t t h et r o u b l eo c c u r r e n c eo ft h eo u t s i d eh e a te x c h a n g e r k e yw o r d s ：f c c ，o u t s o u r c i n gt h e r m o m e t e r s ，h y d r o d y n a m cc h a r a c t e r i s t i c s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：年月 e 1 日期：二岬年, 2 - 月6e l 主邑互擅盘竺坐丕! 王握亟星僮逢童 第1 章引言 1 1 研究的意义及应用价值 催化裂化在我国重油加工过程中起着重要的作用。为了满足日益严格的环保要求和 市场对烯烃( 特别是丙烯) 需求的日益增长，催化裂化工艺技术也在进一步发展和改进。 预计2 l 世纪催化裂化仍将是主要的转化技术【1 1 0 对重油或渣油催化裂化，在催化剂再生烧焦过程中所释放出的热量将超过两器( 反 应器、再生器) 热平衡所需要的热量。过剩的热量必须转移出去，否则将会引起催化齐j 水热失活。水热失活将对催化剂产生破坏作用。转移热量的办法就是对催化剂进行冷却， 即取热。外取热技术是在再生器外部设置一个外取热器，从再生器出来的催化剂在外取 热器内被汽水介质冷却并产生中压饱和蒸汽。总之，外取热器的作用一方面要保证反应 再生系统的热平衡：另一方而要对催化剂进行冷却，保证催化帮不产生水热失活。 外取热器是一种由水作工质并流经管内( 或壳内) ，吸收高温催化剂热量，发生蒸汽， 完成热量转移，维持装置热平衡的设施。因此，取热器作为一种工艺设备，除执行换热 任务外，还具有锅炉的特点，故在设计中要考虑的因素较多。例如外取热器应将其器内 设计成一个流化床，对催化剂进行输送。为了有良好的传热性能，对流化床的流化状态 要达到一定的要求。另一方面取热器的热强度相当高，一般可达每小时每平方米1 5 万 大卡。因此，在设计中要顾及到传热面的受热均匀性，尽可能减少热偏差，避免管壁温 度过高而超过金属所允许的界限。此外，还应避免管壁周期性受热，造成热疲劳破坏。 由于这些情况与传热及水循环密切相关，所以在设计中要防止产生分层流动，要很好解 决管内两相流的流动结构问题。分层流动时，如图1 1 所示，管子的上半部为汽体，下 半部为水。汽相部分的管壁温度上升，管壁强度下降。当周期性产生这一现象时，将引 起疲劳损坏。为了避免这一现象就必须加大管内介质的质量流速，也就是说要有一个合 理的循环倍率为了安全可靠起见，对传热和水循环系统的设计还应参照锅炉行业的有 关规定。 圈1 - 1 管内两相流动 f i g u r e1 - 1t w o - p h a s ef l o ww i t h i nt h et u b e 关于催化裂化装置外取热自然循环水动力分析与计算，目前并没有完整详细的文 献，但研究人员也做了许多相关的工作。这些工作对催化裂化装置外取热自然循环水动 第1 章引言 力分析与计算都有相当大的帮助。 外取热器技术在催化裂化装置中已经得到广泛的应用【2 】，但由于外取热器是从高温 催化剂中取热，工作条件十分恶劣，并且催化裂化装置外取热器换热管的结构复杂，连 接形式变化多样，而且热负荷分布不均匀，实际应用中许多厂家都发生过外取热器管束 焊缝拉裂、磨损及腐蚀穿孔等问题。这些问题不但使外取热器的使用寿命大为缩短，而 且反应再生系统内的多余热量不能及时取出而严重影响生产。 而水动力特性是外取热器在运行中汽水系统可靠性的重要反映。水动力的特性很大 程度上影响着管道传热特性，同设备运行的安全性密切相关。自然水循环若不正常时， 常会使蒸发受热面的金属管壁得不到足够的冷却而升温，强度降低，或受腐蚀而变薄， 最后造成爆管事故，使设备难以正常运行。鉴于此，本文通过计算研究，分析外取热器 管束的自然水循环能力及变化特性，为催化裂化装置外取热器的改进设计提供依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 外取热器的基本型式 外取热技术是一项成套技术。石化行业对外取热器的不同形式相应出现了不同称 呼，目前流行的有三种：下流式、上流式和气控式。从这些名称可看出，人们是用外取 热器本体内催化剂的流动及控制方式来表达它的技术特征的，从国外各公司专利特征及 保护范围看，也集中在对催化剂流化状态的控制上。但行业内对其特征的认识尚不系统。 甚至有些混乱。如前面三种名称，前两个是从催化剂在器内的流向分类的，后一个却是 从催化剂流动的控制方式分类的。而上流式、下流式也可以是气动控制的。气控式也不 能决定催化剂的流向。为便于分析，首先对其技术特征进行定位。 从催化剂流向分类定为：下流式、上流式、无循环式。 从流化状态控制方式定为：阀控式和气控式。 显然无循环式只能做成气控式。洛阳石油化工工程公司开发的气控式外取热器， 换热区内催化剂是下流式的，只是循环方式改为气动控制，去掉了滑阀，故可称为气控 下流式。 这样我国目前己投用的外取热器可分为两大类4 种形式，即阀控类：下流式、上流 式；气控类：下流式、无循环式。 阀控下流式主要由中国石化集团北京设计院设计实施，另外三种由洛阳石油化工工 程公司开发成功。 1 2 2 外取热器的结构特点 外取热器技术在催化裂化装置中已得到广泛应用，但由于外取热器是从高温催化剂 中取热，工作条件十分恶劣，因此，其设计、制造及运行中的每一个环节都与其能否安 全运行息息相关。实际应用中，许多厂家都发生过外取热器管束焊缝拉裂、磨损及腐蚀 2 穿孔等问题，不但使其使用寿命大为缩短，而且造成反应再生系统内的多余热量不能及 时取出而严重影响了生产。 大连石化分公司四催化外装置取热器为目前国内炼油厂催化装置中较大型的外取 热器之一，两台外取热器分别为下流式( r 1 1 0 3 b ) 和气控式( r 1 1 0 3 a ) 。外取热器热量 的控制是根据再生器系统温度情况来调节的，下流式外取热器用下滑阀调节取热；气控 式外取热器则用返回管的提升风量来调节取热量。在正常运行时，运行人员一般不频繁 调整提升风量，而是用调节方便的下滑阀来控制取热量，以维持适宜的再生系统温度和 剂油比，工艺流程参见图1 2 。 图1 - 2 再生器及外取热器工艺流程 l r g u r e1 - 2r e g e n e r a t o ra n dt h e r m o m e t e r sl r o c e uo u t s o u r e i n g 2 台外取热器的换热管材质均为1 5 c r m o 。换热管采取套管式，内套管为下降管， 规格为m 1 1 4 x 7 ( 2 0 0 3 年1 0 月改造以后改为d n l 5 0 规格的管子) ，外套管为上升管，规 格为 3 2 5 x 1 4 。管外介质为高温催化剂，管内介质为饱和蒸汽与水，其流程( 见图1 3 ) 为：汽包( 一上层联箱) ( 2 0 0 3 年1 0 月的改造中去掉了该上层联箱) 一下降管联箱一换 热器内套管一内、外套管之间一回汽下层联箱一回汽上层联箱一汽包。 下流式外取热器共有3 4 根换热管，分三圈沿圆周均匀分布，外圈布置1 6 根换热管， 中圈布置1 2 根，内圈布置6 根，如图1 4 所示。 气控式外取热器的结构与下流式基本相同，2 0 根换热管也是分三圈沿圆周均匀分 布，外圈布置1 3 根，中圈布置6 根，1 根在截面中心处，如图1 ，5 所示。 第1 章引言 图l - 3 外取热器介质流程 f i g u r e1 - 3t h e r m o m e t e r sm e d i u mf l o w 图1 4 下流式外取热器换热管结构 f i g u r e1 - 4i n d e c e n te x t e r n a lt h e r m o m e t e r s t u hs t r u c t u r e 层氍藉 图1 - 5 气控式外取热器换热管结构 f i g u r e1 - 5t a k e - c o n t r o l l e dg a st h e r m o m e t e r st u b e s t r u c t u r e 1 2 3 国内的研究进展 洛阳石油化工工程公司设备研究所的石宝珍【j 1 从热量来源( 不从传热) 角度在理论上 对目前催化裂化再生器各种外取热器作了分析，给出了对流热和“扩散热”的计算式。研 究了各种外取热器的换热效率及计算方法，并找出了取热器内温度明显低于再生温度 ( 即使在入口处也如此) 的原因，进而提出了改进措施。研究结果表明，取热器本体内传 4 生垦互地盘宝l 坐壅2 苫捏亟堂焦监塞 热基本上受“扩散”控制；催化剂循环对取热器的作用主要归于对供剂起始温度的影响； 用流化气体使供剂管路内催化剂扩散可提高取热量；各种外取热器的性能差别主要表现 在供剂温度上；供剂管路的设计和操作状态，对取热器内温度可产生达l o o e 的改交， 从而影响取热器的负荷。 另外石宝珍【4 】还从换热过程的内在规律出发，将已投用的外取热器分为阀控上流式、 阀控下流式、气控下流式、无循环式共4 种形式；提出了热量分解概念，外取热器热量 由对流热和当量“扩散热”两部分组成。己投用的外取热器中，气控式设备效率晟高，单 位外取热器设备体积取热量为o 4 5m w m 3 ，其他形式为0 t 3m w m 3 ，再考虑滑阀造价， 气控式投资明显低于阀控式；对应同样的流化气速和催化剂循环量，气控式能提供更高 的催化剂温度及更大的换热强度；各种取热器均可用肋片强化，肋片效率一般在o 7 左 右。 王化秋等人嘲以取热器的基本取热原理为出发点，着重分析了外取热器中催化剂侧 传热系数和催化剂循环的影响因素，从理论上分析了外取热器的运行状况，得出了一些 规律。文中得出外取热器可以通过改变流化风量和提升风量来调节取热负荷。 ( 1 ) 调节流化风可以改变传热系数，随流化风量的增大，传热系数呈现先增大后减小 的趋势。 ( 2 ) 传热系数同流化风的函数关系比较复杂，流化风不适合作为外取热器取热负荷的 主要调节手段。 ( 3 ) 提升风可以有效地调节催化剂循环量，随着提升风量的增大，循环量呈现先增大 后减小的趋势。设计中应该选择合适的操作范围。 ( 4 ) 外取热器系统的一些相对固定的压力降比如4 分配器压力降等对催化剂循环量 影响很大，在设计中应该尽量减小此类压力降。 ( 5 ) 相对而言，管径较小的外取热器提升管更有利于催化剂循环量的调节，在满足最 大取热量的情况下，设计中应考虑采用较小的提升管直径。 张荫荣等【6 】介绍了重油催化裂化取热技术的现状及发展趋势，分析了取热技术主要 分为内取热技术和外取热技术，内取热器有垂直盘管式和水平盘管式两种，介绍了工业 化的内取热技术始于6 0 年代，属稀相输送，因其磨损严重，运行寿命短，因而出现了 外取热技术现在工业应用的外取热器有上流式、下流式、气控式、返混式等。说明了尽 管各种类型的取热器有其自身的优势，发挥了重要作用，然而都有其一定的局限性。 蒋安众等人【7 】在水循环计算的程序设计部分说明了计算过程：程序按低压锅炉进行 编制，并考虑到程序的通用性，将程序分为三部分：原始数据部分、上升管计算部分、 下降管计算部分、主程序部分和画图部分。 原始数据部分：除对回路工作压力c 锅筒压力、汽水密度、汽化潜热等常量进行定 义外，还定义了锅炉结构体数组，每组管束是一个元素，按平均值分别给出了供水管、 第1 章引言 受热段、受热段、受热后段和汽水引出段的内径、高度、长度、摩擦、局部阻力系数， 管段热负荷等。受热段沿高度划分成几段，要由吸热情况和管高决定。 上升管计算部分：只针对给定管束计算压差，它包括重位压降c 随含汽率即热负荷 而变、摩擦压降、局部阻力和加速压降。将计算压差与假定工作压差比较，循环计算至 精度允许，改变流速c 或流量再行计算，从而得到特性曲线足够计算点。 下降管计算部分：包括受热下降管和不受热下降管压差计算，用迭代法。程序部分 即工作压差、流量计算部分，将结果输入有关部分数据，并可输入画图程序。 画图部分：将各部分数据表小成各组管束计算点画出曲线，但其工作压差并不是由 图上得到，而是计算得到。 唐强、张力【引指出：水循环回路的合理设计和布置对高温取热炉的安全运行具有重 要意义。高温取热炉传热计算和水动力计算结果表明热负荷较低时，水循环容易发生停 滞。水循环回路结构复杂容易导致并联管内的流量分配不均匀性较大。热负荷较高时， 汽塞和流量脉动也会导致高温取热炉水循环可靠性下降。合理的运行可以防止高温取热 炉水循环停滞。优化并联管组结构设计，并消除水循环回路中的可压缩容积，能够减少 并联管组流量分配不均匀性，避免发生流量脉动，提高水循环的可靠性。 吴雨纠9 】阐述了控制循环锅炉水动力计算方法的基本原理和水循环安全性的设计标 准，对计算的主要内容，包括炉膛的吸热量分配、回路划分、节流圈选用r u n b a c k 工况、锅筒蒸汽携带率、以及循环泵的n p s h 等予以说明并简要介绍计算过程及其与 自然循环水动力计算方法的比较。并介绍了主要计算过程。 陈乃一、张德怀【1 0 l 讨论了洛阳石化工程公司设计的小型同轴催化裂化装置中8 0 0 气 控式外循环管型外取热器在盐城市石油液化气厂重油催化裂化装置上的工业试验，结果 表明该型式外取热器有着广泛的工业应用前景。同时给出了水汽循环流程( 见图1 6 ) 除氧 水白催化装置内除氧水总管送至外取热器汽包，由汽包自流进人取热管束的内套管流向 下，由套管底部回转经内外套管之间的环隙通道流向上，与取热管外表面的催化剂颗粒 不断接触进行热交换，水汽向上，直接进人汽包，产生1 4 7 m p a 饱和蒸汽再减压到1 o m p a 送至装置内蒸汽总管。 6 主旦互迪友宝l 坐塞2 王猩亟生僮迨塞 图l - 6 气控可调式外取抉热器( 外循环臂) f l g u ”1 - 6a d j t a b l e - g a sh e a te x c h a n g e rf r o mo u t s i d e ( o f t h eq 嘲 王丽莉叫介绍了国内外外联热器的发展和特点，并针对乙烯厂催化裂化装置的外取 热器设计形式，提出了开好外取节能和装置的平稳生产做好了必要的准备工作。 赖周平【1 2 - 1 4 探讨了传热与水循环问题，指出：取热器是一种由水作工质并流经管内 ( 或壳内) ，吸收高温催化剂热量，发生蒸汽，完成热量转移，维持装置热平衡的设惑。 因此，取热器作为一种工艺设备，除执行换热任务外，还具有锅炉的特点，故在设计中 要考虑的因素较多。例如外取热器应将其器内设计成一个流化床，对催化剂进行输送。 为了有良好的传热性能，对流化床的流化状态要达到一定的要求。 李之光以新型水火管锅壳式热水锅炉为例，对热水锅炉水动力问题进行了全面理 论分析；给出了防止水冷壁、高温管板产生过冷沸腾的计算方法以及回水引射、回水分 配管的设计方法；另外，还着重指出热水锅炉集箱尺寸的重要性以及它对水冷壁安全可 靠性的影响并导出校核公式。文中贯穿一台锅炉的完整计算示例，并给出各项计算数值， 可供工厂设计人员进行水动力设计计算时参考应用。本文所述内容既适用于锅壳式热水 锅炉，也适用于水管式自然循环热水锅炉，其中集箱尺寸问题对强制循环热水锅炉也同 样重要。有很大的参考价值。 庞丽君等0 6 1 简要介绍了自然循环热水锅炉简单循环回路、并联回路的水动力计算方 法和下降管入口水温的计算。该方法是通过理论分析，结合实际应用，建立了便于工程 实用的计算式。 迟永风【1 7 1 对热水锅炉复杂回路水循环计算方法进行了初探。他通过计算机辅助，按 照流动工质的水循环特性，对计算方法进行了研究，即对每个回路建立流动方程及相关 方程，然后利用计算机进行计算，求出每个回路的循环流量及循环流速，并根据计算结 果，确定结构是否合理。 第1 章引言 蒋永蒯】从水循环动态平衡的机理出发，引入“假想隔板”的概念对复杂回路进行计 算，并将复杂的循环回路特性归结为用数学的方法解方程，使之能够简化为两个或数个 不同的简单回路处理，利用这一原理对s z l 7 1 1 1 5 7 0 a j i 型热水锅炉进行了水循环计 算，并利用计算结果直到结构设计。 董艽等人【1 9 l 【2 0 帐据流体力学原理和锅炉水动力计算的基本原则，提出了一种能够直 接计算自然循环热水锅炉各循环回路中每根单管水动力特性的自然水循环热水锅炉水 动力数值计算新方法。即水动力回路分析法。采用水动力回路分析法，不仅可以提高自 然循环热水锅炉水动力计算的可靠性，对保证热水锅炉水动力安全具有重要意义，而且 由于该方法采用计算数值求解，其计算效率也得到了明显的提高。推导得出了基于该方 法的水动力计算机本方程组，给出了其数值求解方法及程序框图，并应用该方法对两台 自然循环热水锅炉进行了水动力特性计算分析，将其计算结果与按照j b t 8 6 5 9 1 9 9 7 ( 热 水锅炉水动力计算方法的图解法分析结果进行比较，证明了水动力回路分析法的正确 性和实用性。 高吉国等人【2 j 】以现行的热水锅炉水动力计算方法为基础，探讨用公式法和图解 法的结合，对热水锅炉的自然循环，引射循环的合力循环进行计算的计算方法。并对用 这些方法产生的偏差和采用这些方法的条件进行分析。 1 3自然循环水动力计算与模型的建立 1 3 i 自然水循环机理 所谓水循环的安全，是指水冷壁管能够得到充分冷却。正常的水循环是水冷壁管得 到有效冷却的保证。一个由受热的上升管和不受热的下降管组成的封闭系统，称之为回 路。如图1 7 所示，上升管中的介质因受热蒸发，成为汽水混合物，其密度小于下降管 中的水的密度，这样，在上升管和下降管之间产生了压降差，水在其中形成了自然循环。 对于稳定流动的水循环而言，从下降管侧计算的由下集箱到汽包水面的压差和从上 升管侧计算的压差是相等的，由此，就有了水循环的基本方程： 嘲啦一心q = p g h 七蟹h ( i - i ) 式中： 庙，肛分别为下降管和上升管中介质的平均密度，k g m ； 蚺，肚”分别为下降管和上升管中介质的流动阻力，p a ； 日汽包内水面到下集箱中心线高度，m 。 上式中左边称为下降管压差v x j 。右边称为上升管压差y s s 【2 2 】【2 3 j 【2 4 1 。 汽包 图1 7 水循环示意图 l r t g u r e1 - 7w a t e rc y c l ed i a g r a m 进入上升管中的水的速度对水循环可靠性而言是一项非常重要的指标，若上升管进 口水的速度等于零或接近于零，水循环会发生停滞或形成自由水位，可能导致水冷壁管 烧坏；水的流速很低也可能引起传热恶化。由于进入上升管中的水的温度已比较接近水 的饱和温度，故其密度也为饱和水密度。由于上升管中都是汽水混合物，其中含有大量 的水和一部分蒸汽，循环倍率的定义中规定，进入上升管中的水流量g 与该上升管出口 的蒸汽流量d 之比为循环倍率k ，即 k = g d ( 1 - 2 ) 在稳定的自然循环中，均= ，即此时的状态应当是上升管压差特性曲线与下降 管压差特性曲线交点的状态，此交点称为工作点( 如图l - 8 所示) 线 图1 - 8 上升管压差与下降管压差特性曲线示意图 f i g u r el - 8 叩w i t ht h ep r e s s u r eo f t h ep r e s s u r ed r o p c h a r a c t e r i s t i cc u r v ed i a g r a m 9 加纨 三三i 第1 章引言 1 3 2 影响水循环可靠性的因素 判断自然水循环是否可靠的根本标准是看能否保证所有的水冷壁管子都得到充分 冷却，故检查自然水循环可靠性时，常检查所有能引起水冷壁管不能得到正常冷却的条 件是否发生。若这些条件不发生。则说明该水循环是正常的或可靠的。其中最重要的一 个条件是与管壁接触的介质应当是水而不是不流动或缓慢流动的蒸汽【2 5 1 。 一般情况下，影响锅炉水循环的因素有以下几点： 1 ) 管子受热不均匀。锅炉的水冷壁是由许多平行连接的管子组成，管数众多，当 受热不均匀时，必然存在某些管子受热较弱的情况，当受热较弱的管子受热弱到一定程 度时，这根管子可能处于其进口水量等于出口蒸汽量的循环停滞状态，即循环倍率为1 。 如果此时上升管从汽包的汽空间引入，则发生自由水位现象。所以发生循环停滞总在受 热弱的那根管子上。 2 ) 低负荷运行。锅炉在低负荷运行时，由于蒸发量小，锅炉的燃料量就比较低， 因此水冷壁的整体受热程度就比较弱，这时，就很难保证整个水冷壁管子受热的均匀性， 必然会有一些管子受热相对较强，水循环量大，而有的管子受热较弱，水循环也较小j 纠。因此，低负荷运行极易导致受热的不均匀，从而造成循环的停滞、自由水位等不利 影响。 3 ) 下降管阻力的影响。从图1 8 中可以看出，当下降管阻力变化时，其压差特性曲 线y x j 就相应地发生变化。例如，当下降管阻力增大时，其压差就会变小，特性曲线y x i 就会下移，使回路工作点也下移，流速减小，从而更易发生循环停滞，因此，在锅炉设 计中，一般都要尽量降低下降管的阻力，以保证锅炉水循环的正常。 4 ) 下降管中有蒸汽。下降管中带有蒸汽有很多原因，例如，在汽包中的下降管入 口处形成了旋涡斗、自上升管来的蒸汽被流向下降管的水流直接带入下降管中，或者流 动过程中因压力降低而引起的自蒸发等等【2 9 】【3 0 】。上述种种情况都会使循环回路的工作 点向下偏移，从而造成水循环的破坏。 5 ) 其它一些原因，如汽水引出管的阻力增大、水冷壁管阻力系数不同等等。 1 3 3 取热器水动力特性的特殊性 根据前面取热器结构特性及锅炉水动力特性的阐述可知，虽然与普通的锅炉水动力 循环特性计算中所运用的稳定流动平衡法原理相同，但是这里研究的四催化弊取热器的 水动力与普通锅炉的水动力有着很大的区别，大致可从以下三个方面来阐述： 1 ) 在下降管方面的不同。在一般的工业锅炉及电站锅炉中，下降管分布在锅炉炉 体的外部，不受热并且很集中，所以常常称之为集中管。而在此取热器中，下降管插 在取热管的中间，并且每一根下降管独立地对应一根取热管，也就是说一根上升管就需 要一根下降管；正因为这样的结构，致使下降管也会受到汽水混合物的一部分加热。 1 0 2 ) 在上升管方面的不同。在大多数的火床炉和火室炉中，上升管的分布很有规律 性，所以它们在宽度方向上受到的热负荷很均匀，这样在热负荷及水动力计算中就可以 把很有规律的一捧管子来作为一个整体来处理，而在此取热器中，每个取热管所受的热 负荷都各不均匀，并且又存在着许多交径，大小头等方面的问题，所以单单靠整体来处 理是不可靠的，这就需要每根管子单独来计算。 3 ) 在汽水引出管及水引入管方面的不同。基于上述两方面的分析，决定了在汽水 引出及水引入管中的复杂性。首先每一根的环形上升管及下降管都要对应一根汽水引出 管及水引入管；再者，该取热器的汽水系统的管网错综复杂，这也是与一般的工业锅炉 和电站锅炉很大的不同。 鉴于此取热器与普通锅炉在水动力特性中有上述这些不同之处，需要我们在计算中 也需要突破常规的计算思路，来更进一步的加强理论分析，找一个更适合此取热器水动 力特性计算的方法。 1 4 本研究课题的来源及主要研究内容 本课题来源于大连石化公司3 5 0 万吨年重油催化( 四催化) 项目，该装置是目前 亚洲单套年处理能力最大的重油催化装置。其外取热器自2 0 0 2 年1 1 月1 8 日投入运行 后，2 0 0 3 年4 1 0 月期间发生多次爆管或泄漏事故，严重影响正常生产。 本文将分别采用稳定流动平衡法和计算机程序法，对四催化外取热器部分管排的水 动力特性进行计算，并对计算结果互相校验，在得出计算机程序法计算结果的相对误差 满足计算要求的结论后，运用计算机程序法来进一步计算分析四催化装置外取热器水动 力特性，为四催化外取热器的改进设计提供依据。 第二章外取热器的水动力特性分析及建模求解 第二章外取热器的水动力特性分析及建模求解 2 1 锅炉的水动力特性及自然循环锅炉水循环的压差解法 循环回路是由锅炉( 锅筒) 、联箱和管子相互串联而形成的封闭系统，汽水混合物在其 中做上升流动的管子称上升管，水在其中做下降流动的管子称下降管。简单水循环的计算， 当上升管内工质不断吸热，水温达到饱和温度时，水中开始有气泡产生。如果假想管道内 的水静止不动，在下联箱内加一块隔板，此时隔扳两侧将受到不同的压力，下降管侧管内 的工质作用在隔板的静压为 p l = + p e h ( 2 - 1 ) 上升管侧管内的汽水混和物作用在隔板的静压为 p 2 = 如+ n g h ( 2 - 2 ) 式中：p 不受热管内饱和水的密度，堙m 3 ； 见爱热管内汽水混合物的密度，七g m 3 ； p 一一呙筒内的压力，p a 。 从上两式可以看到，由于密度p p h ，所以静压a p 2 ，表明隔板两侧所受的压力是 不同的、不平衡的，此压力差将推动隔板从下降管侧向上升管侧流动；若取走隔板，则工 质开始流动，即形成自然循环。在下降管侧，水自锅炉沿下降管向下流动，流动过程中产 生流动阻力损失口p 。，从而将降低联箱中心处的静压，所以实际上 a = 如+ p s h 一峨 ( 2 - 3 ) 在上升管侧，工质自联箱向上流动，将产生流动阻力损失 3 p u ，n p u 将导致联箱中心处静 压升高，所以 岛2 p s , + p h g h + 瓴 陀- 4 1 上升管与下降管共用一个下联箱、一个锅筒，因此有 郎 因此可写出 式中：6 芘下降管压差， 虻上升管压差， 显然 p 口+ p g h 一印q = p 口+ p 谌h 卸。 p g h 一卸q = p g h + 印h 嘁= 蜕 p a ： p a 。 此外上升管和下降管流量相等， 嘁= c g h 一卸q 成= p h g h + 母k 即q = q 2 ( 2 - 5 a ) ( 2 5 b ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 g 。- 下降管中水流量，k g ，s ； q 。匕升管中工质流量，k g s 。 根据式( 2 5 b ) 式( 2 9 ) 的基本原理来求解循环回路的工质流量g 、运行压差p 的 方法即为压差解法。通常，先假设循环流量g ，然后求出a ，n ，a 艮等值，代入( 2 - 5 b ) ， 看是否满足等号两侧的要求，若不能，则修改g 值，直到满足要求为止。采用计算机时， 常用迭代法；当人工计算时。常用三点图解法。先计算三个不同流量g 时的下降管和上升 管的压差及a 艺，并绘出下降管与上升管不同流量下压差变化曲线，即凸妒= 厂( g ) ， 显然两条曲线交点就是满足的解。然后求出循环倍率即k = g d 。0 为水流量，d 为蒸汽 量；单位均为k g ，s 。 2 2 水动力特性的计算方法 鉴于以上所阐述的外取热器结构的特殊性及锅炉水动力特性的分析，需要我们在其水 动力计算中采取特殊的策略。我们分别采用了两种方法来计算，一种是借助于计算机通过 编写程序求解，通过主程序对调用子程序( 编写计算机程序) 的调用，直接求得循环倍率、 循环流量及各个部分的压差，最终确定其水动力特性及其稳定性印j 。另一种方法就是所用 的稳定流动平衡法( 作图法) 。但是，这种方法的思路及定位与前一节所述的普通锅炉的水 动力特性的计算方法有所不同。将稳定流动平衡法和计算机程序法的计算结果互相校验。 由于计算机程序的通用性和方便性，最终由计算机程序得出结果，并来进一步分析水动力 的循环特性 2 2 1 稳定流动平衡法( 作图法) 在一般锅炉的水动力特性计算中，一般是一根集中下降管对应一排上升管，而本研究 的取热器结构具有特殊性( 上边已经阐述) ，所以在水动力特性计算中，要如一般的锅炉水 动力特性计算方法一样，先找出上升系统和下降系统的压差和流量的关系m j ，进而建立平 衡；由于此取热器没有下锅筒即没有下联箱，所以每根取热管的管底的压差是各不相同 的，这样就需要突破以往的做法，而选取联箱2 与汽包之间( 包括汽水分离器) 的压差和 流量的关系作为上升系统的特性，而把汽包水平面到联箱2 之间的压差和流量的关系作为 下降系统的特性，如图( 图2 一1 ) 所示。由此作图，找出工况点，得出管子的水动力特性， 并与计算机程序方法得出的结果相比较，进行校验。 第二章外取热嚣的水动力特性分析及建模求解 两点压差p 卜p 2 图2 1 取热器系统倚图 f i g u r e2 - 1h e a t e r ss y s t e md i a g r a m 其具体思路如下，以上升系统( 如2 0 0 6 0 0 b f u l 4 1 3 的管子) 为例： 1 )如图2 2 所示，分别求出联箱1 和2 之间的每根管子各自的压差和流量的关 系，见表2 1 。分别作图，然后根据压差流量叠加，得出叠加后的总压差和总流量的关 系曲线。 表2 - 1 箱1 和2 之间的每根管子各自的压差和流量的关系 t a b l e2 - 1b o x1a n d2b e h m e a c hr e s p e c t i v et u b ep r e s s u r ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l o w 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表2 - 1( 续) t n b l e2 1( ) 0 皇 、， 捌 出 1 0 0 0 1 0 01 2 0 02 5 0 3 0 03 5 0 4 0 0 藏量( k g s ) 图2 - 2 联箱1 ，2 之间流t - 压差特性曲线 l 用三点法做出的单根管的差压特性曲线 2 部单管叠加后的总差压和总流量的关系曲线 f i g u r e2 - 2f l o w sb e t w e e nt h eb o x e s1 ，2 - p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e s 1 - w i t ht h et h r e e p o i n tm e t h o do f t h es i n g l ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i ce n l v s 2 一a f t e ra hs i n g l e - t u b es u p e r p o s i t i o no f t b et o t a ld i f f e r e n t i a lp r e s s u r ea n df l o wc u r v e 2 )如图2 3 所示，分别求出联箱1 和3 之间的两根管子的压差和流量的关系( 见 表2 2 ) ，并分别作图，然后根据压差相等流量叠加，得出叠加后的压差流量曲线。 第二章外取热器的水动力特性分析及建模求解 重 v 捌 出2 口2 0 04 0 u