（机械工程专业论文）strⅢ型急冷废热锅炉工艺计算及软件开发.pdf

摘要 废热急冷锅炉是乙烯裂解装置的关键设备，制约着乙烯产品的质量和 装置的扩能。本文对齐鲁石化公司烯烃厂s t r i i i 型废热急冷锅炉进行了 管束换热，管壁温度，工艺气体阻力及水循环等方面的详细计算。并以功 能强大的d e l p h i 语言编制了w i n d o w s 环境下的废热急冷锅炉工艺计算 软件。该软件既可对现有型号废热急冷锅炉进行校核计算，又可用于新型 废热急冷锅炉的开发研究，功能较为齐全。校核算例和研究结果表明： s t r i i i 废热急冷锅炉能够满足相应参数下工艺生产的需要，但仍可根据强 化传热技术进一步进行改进。 关键词：废热急冷锅炉二：艺计算d e l p h i 软件开发 p r o c e s sc a l c u l a t i o na n dp r o g r a md e v e l o p m e n t f o rt h es t r 1 1 1w a s t eh e a tb o i l e r a b s 仃a c t t h ew a s t eh e a tb o i l e r , a l s oc a l l e dt h et r a n s f e rl i n ee x c h a n g e r ( t l e ) i sa k e ye q u i p m e n to ft h ee t h a n ec r a c k i n gs y s t e mi nar e f i n e r y , t h ep e r f o r m a n c e so f w h i c hd e c i d et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t sa n dt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o no ft h e s y s t e m i nt h i sp a p e r , a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u to nt h e s t r i i it l ef o r t h es h e n g l ir e f i n e r yo fq i l up e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n d e t a i l e dc a l c u l a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e ra n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h e t u b e s ，f l o wr e s i s t a n c eo ft h ep r o c e s sg a s e sa n dt h ew a t e rc i r c u l a t i o nh a sb e e n c o n d u c t e db ys o f t w a r ed e v e l o p e dw i t hd e l p h i t h er e s u l t so fat e s t i n ge x a m p l e s h o wt h a tt h i ss o f t w a r ec a l lc h e c kt h ee x i s t i n ge q m p m e ma n da l s ob eu s e f u li n t h ed e s i g no fn e ww a s t eh e a tb o i l e r t h ec h e c k i n gs t u d yo fs t r - i i it l es h o w s i t s a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sq u a l i f y i n g f o rc u r r e n t p r o c e s s t h es t u d ya l s o i n d i c a t e st h ep o s s i b i l i t yt oi m p r o v et h ep r o c e s sa n dd e s i g nu s i n gh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y k e yw o r d ：w a s t eh e a tb o i l e t , p r o c e s sc a l c u l a t i o n ，d e l p h i ，s o f t w a r ed e v e l o p i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名；煎逝7卅年尸月r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保酎送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 玉，吩年尸月 ，撕3 年牙月 同 只 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题来源和意义 废热锅炉是利用工业过程中的余热以产生蒸汽的锅炉，它广泛应用于 石油石化和其他化工、冶金等行业，是热量回收的重要设备。由于废热锅 炉往往在较短时间内使高温气体的温度明显降低，所以从设备在工艺过程 中的作用出发，也有人称之为急冷锅炉，或急冷器一t r a i l s f e rl i n e e x c h a n g e r ( t l e ) 。 急冷锅炉是乙烯装置的关键设备之一，它能否连续、安全和有效地运 行，直接影响乙烯装置的正常生产和经济效益。在乙烯发展史上，就曾出 现过因急冷锅炉技术与裂解工艺技术不匹配而延迟了裂解技术推广应用的 事例。 乙烯裂解炉的大型化。成为乙烯生产技术发展中最重要的突破。近年 来，国外乙烯生产装置的最大规模已达7 8 万吨年，单台裂解炉的生产能 力则达到了1 2 万吨年，围绕着大型化，在裂解技术方面取得了很大进展。 裂解原料在炉管中的停留时间也由过去的o 3 o 4 s 缩短至o2 s 左右，从 而提高了有用烯烃的收率，改善了裂解的选择性，裂解的原料消耗和能耗 得到进一步的降低。 大型蒸汽裂解制乙烯技术是“九五”国家重点技术开发项目，开发与 大型裂解炉相配套的大型急冷锅炉和急冷锅炉传热及水循环软件是该项目 的重要组成部分。为了能够充分地满足工艺的需要和安全生产，急冷废热 锅炉的设计要做到尽可能合理。这就需要对急冷废热锅炉的工艺特点进行 研究，重点对其传热和水循环进行详细计算，并开发一套可以对急冷锅炉 的传热、水循环、工艺气阻力等进行设计和校核计算的方法和系统。本文 的研究正是该系统的一部分，所进行的计算和软件开发对急冷废热锅炉的 设计和研究及现场维护都有重要意义。 石油大学( 华东) 硕十论文 第1 章前言 1 2 研究内容和方法 废热急冷锅炉的设计矛校核计算，包括结构选择、换热面积计算、热 力计算，工艺气和循环水的流动计算等很多方面的内容。时间和资料所限， 本文将针对齐鲁石化公司稀烃厂的s t r i i i 双套管式急冷炉进行热力计算， 工艺气体阻力训算、急冷炉本身的水力计算和内管管壁壁温的分布计算， 并根据计算结果对提出急冷锅炉的换热管束传热强化问题进行初步探讨。 首先对上述工艺计算的理论基础进行研究，然后确定计算步骤。拟采 用d e l p h l 5 0 作为软件开发平台，开发一套可完成急冷炉的上述工艺计算 的软件系统。系统将以双套管急冷锅炉传热和水循环为模型进行计算和分 析，并预留与其他结构类型废热锅炉结构和参数相适应的程序接口。这样， 可以方便地对现有设备进行校核，也可以在设备的改造和设计时使用该系 统进行工艺计算。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章急冷废热锅炉应用和研究现状 第2 章急冷废热锅炉应用和研究现状 2 1 废热锅炉概念和分类 废热锅炉指那些利用工业过程中的余热以产生蒸汽的锅炉，其主要设 备为锅炉本体和汽包，辅助设备有给水预热器，过热器等。由于废热锅炉 往往在较短时i 目内将工艺气体的温度降低很大，所以从设备在工艺过程中 的作用出发，也有人称之为急冷锅炉或急冷器t l e 。 同工业锅炉一样，废热锅炉也可根据其工作条件和介质流动循环方式 的不同，分为各种类型【l 】 按工作压力分 对于管壳式废热锅炉，属于压力容器范畴，按压力容器的分类方法分 为： 低压容器：1 1 0 p 1 6 1 0 5 p a ； 中压容器：1 6 l o p a p 1 0 0 1 0 3 p a ： 高压容器：p 1 0 0 、 。 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章急冷炉t 艺计算理论根据 第4 章急冷炉工艺计算理论根据 急冷炉工艺计算主要包括热力计算，水循环计算和气侧阻力计算。计 算过程涉及到热力学、流体力学、传热学等多方面的基础理论知识和热交 换器设计、锅炉原理与设计等专, l k - 失! l 识，综合性强，计算复杂。并且，由 于由于急冷废热锅炉结构类型繁多，本文针对上一章所选定的双套管废热 锅炉的形式进行： 艺计算，所得结论对相似结构类型的废热锅炉适用。 4 1 热力计算 4 1 1 计算目的 急冷炉热力计算与内管壁温计算的目的，在于根据给定的工作条件一 一工艺气体的组成、性质、流量、进出口参数( 压力和温度) 、给水温度和 产生蒸汽的参数等，以选定急冷炉的形式与结构( 对于本工艺校核计算， 急冷炉的形式和结构已确定) ，并确定急冷炉的产汽量、换热面积、换热元 件的结构布冒与尺寸、流体通过的时间、换热管的壁温分布等。 完成了热力计算与管壁温度分布计算之后，可以进行下一步的有关内 容的计算急冷炉的流体阻力计算、水循环计算、构件的强度计算等。 总之，热力计算与管壁壁温计算是急冷炉设计与校核计算中重要的、第一 步的计算内容。 4 1 2 计算步骤 由于急冷炉的形式与结构已经确定，校核计算与一般的工艺设计计算 稍有差别。主要计算步骤有： ( 1 ) 计算流体物性 根据工艺气体的组成和参数，计算工艺气体的物性黏度、密度、 导热系数、比热等；根攥给永和蒸汽参数，计算或查取水和水蒸气的密度、 导热系数、黏度、比热、汽化潜热、焓值等。 ( 2 ) 计算换热量 2 0 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章急冷炉工艺计算理论根据 根据工艺气体的进出口参数，由热平衡关系式求出换热量，在此基础 上确定急冷炉的水蒸气蒸发量。 ( 3 ) 计算传热面积 为了保持计算精度，本校核计算采用分段计算的办法先选定管子 根数，然后选取小段管长( 比如0 1 米) ，对选取的每- - d , 段管长进行热力 计算，直至管束出口端达到要求( 工艺气体温度降到4 5 0 。c ) 。在进行到接 近气体参数要求时，此时可结合温降法进行末段管长计算。 ( 4 ) 进行校核计算 计算临界热负荷与临界干度，进行换热面热负荷校核，若实际热负荷 和实际蒸汽干度小于二者的临界值，则工艺设计合理；否则，重新进行结 构安排或调整有关参数。 ( 5 ) 具体计算方法与步骤 a 、计算或输入有关物性参数； b 、确定热负荷及水蒸气产量： c 、选取分段计算的长度三； d 、首先根据经验假设一传热系数k ，计算该分段出口温度t ，； e 、计算蒸汽侧换热系数a ： f 、计算内管( ：l 艺气体侧) 换热系数d g 、根据得到的换热系数值及污垢热阻等，计算传热系数臣，； h 、比较k ，与k ，若2 _ 2 者基本相等，则假设值合理：否则，改变a - 值， 重新进行上述计算，直至 z 与凡- 达到一致； i 、进行校核计算，在临界热负荷与临界干度之下，则进行下一分段计 算，直至某一段的出口温度小于工艺要求的数值( 本校核计算中为4 5 0 。c ) ； j 、利用温降法进行最末一分段管长的修正，使换热管束的出口温度达 到工艺要求的数值； k 、最后得到热力计算诸项结果。 鱼型望兰坐查避堡奎 茎! 重量堡塑三苎生茎望丝塑塑 4 1 3 主要计算公式m 。2 6 1 a 、热负荷计算：g = g c ，。一瓦。) 叩 其中，q ：急冷炉热负荷，w ； g 工艺气体质量流量，堙j ； g f ，工艺气体质量比热，j ( 培世) ； f 。工艺气体进口温度，： l ：工艺气体出口温度，； b 、 其中， c 、 其中， d 、 叩换热段热效率( 保热系数) ，取r = 0 9 8 。 产汽量计算：d = 蜴( h 、一q ) d 蒸汽产量，姆一； 日，饱和水蒸气焓，堙： h ，饱和水焓，姆。 一竺坚 每一段出n n n i , - k g ：r ：= o + o 。一f 。) p r 2 管子出口( 也是下一段管子的进口) 温度， r 。水蒸气饱和温度，； n 换热段管子根数； 矿，内管外径，； 三分段管长，1 9 1 。 蒸汽侧换热系数计算： 1 瓜币万可 鼽。瓜 石油大学( 华东) 硕七论文第4 章急冷炉t ：z 计算理论根据 o q = 0 0 2 击“4 争。3 口= 2 2 “+ 1 8 3 1 0 4 p 2 妒7 ： 口不考虑干度影响时水蒸气侧换热系数，w ( m 2 o c ) ： 单项流体对流换热系数，w 2o c ) d 。旺盛泡状沸腾时的换热系数，w 坼2 o c ) p 饱和水蒸汽的压力，b a r ： g 热流密度，w m2 ； 饱和水的导热系数，似- ”c ) ； “饱和水的动力粘度，坛b j ) ； c 。，饱和水的质量比热，j ( k g k ) ； n 饱和水的密度，姆加3 ： d 。当量直径，d 。= d o 一吐，m ； 巩套管内循环水流速，m e 、蒸汽干度计算：x = ( h h ，) 其中，x 某点蒸汽干度； h 某点水蒸气的焓，j 堙； r 。一一饱和水蒸气的汽化潜热，j k g 。 f 、对数平均温度计算： r 。：( r 一一f 。) l n ( a t a t 。) = o 一f ，) l n 一f ，) f 2 一f ，) 其中，a t 。备计算段断部冷、热流体温差之大者，； f m m 各计算段断部冷、热流体温差之小者，； t t 各分段进口温度，。 g 、内管换热系数计算： 当r e 2 1 0 0 时 型盔兰兰j ：! 婴堡苎 篁! 兰鱼堡生三茎i ! 簦堡堡堡塑 口，= 1 8 6 ( r e p r ) ”3 0 ，l ) 帕“l ，) 。“车 当2 1 0 0 ( r e 兰l 0 0 0 0 日寸 = 0 1 1 6 r e 3 - 1 2 5 ) p r t 3 1 + p ，上严k 。，尸季 当r e ) 1 0 0 0 0 时 雹= o0 2 3 r e ”p l - t ，3 “。) 4 季l + p ，l ) ” 其中，d ，一内管工艺气体换热系数，w ( m2 。c 1 ： r e 雷诺准则数，无量纲量； p r 普郎特准则数，无量纲量； d 管内径，m ； 胁平均气体温度下的动力粘度，k g 协s ) ； 脚壁温下气体的动力粘度，k g j ) ； z 气体导热系数，k 。c ) 。 需要说明一点的是，工艺气体流经废热锅炉管内的速度很快，对流换 热系数相当大。相比之f ，高温气体管内的辐射换热因辐射层厚度很小而 使辐射换热系数相当小，又占对流与辐射联合换热系数的1 3 左右，计算 中可不予考虑。 h 、管壁壁温计算： 、某计算段平均壁温： = o s 【半+ 警一等j 、管子某断面处壁温： 一、m 她一- 。) ( + 毒一澍一警 其中，瓦。某计算管段平均壁温，。c ； 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章急冷炉工艺计算理论根据 瓦。：某断面处管壁壁温，： t 某断面处气体温度，。 i 、传热系数计算： 如7 + 羞+ r , 尹d o 雨d oj 其中，5 内管壁厚，m ： 水蒸汽侧污垢热阻，m 2 o c w ； r 工艺气体侧污垢热阻，m2 。c w ； 管壁导热系数，叫如。c ) ： d 。管子平均直径，d 。= ( d 。一z ) h p 。；d 。) ，m ； j 、临界热负荷计算： 锄：卜坩s + s 憎p 8 “3 。j n 其中，q 。i 临界热负荷，m 2 ； p 。一一水的临界压力与p 同单位； 质量流速，k g ( m2 s ) ； x 某截面处水蒸汽干度。 k 、临界干度计算： 嘞= 0 3 9 + 3 5 3 p 圳，n s ： 矶甜谢” 其中，乩传热恶化时的l 临界干度： d 当量直径，d = d 。一吐，脚： d 。外管内径，”； l 、工艺气体通过换热段时间计算：r 。= 专 互垫奎兰! 兰变! 堡主堡茎 蔓! 至墨堡生三茎生簦堡堡塑塑 其甲，气体通过换热管束时间，s ； c 计算管段p , j 气体平均流速，m s 。 m 、传热面积计算：f = g 7 ( 胁z ，) ，f = n - d j h ：r j , ：h 。r 其中，日下降管底部中心至汽包液面的高度，m ，由循环回路给出； 日。上升管预热段高度，m ，计算得出； h 。上升管汽化段高度，m ，日。= z h 。； 日，上升管非汽化段高度，m ，皿= h 一三z ； 乞热力计算得出的换热管束的高度，m ； r 。饱和水重度，n m 3 ： k 汽化段内汽、水混合物重度，n m3 ，计算得出； 非汽化段内汽、水混合物重度，n m3 ，计算得出。 图4 一l 受热管受热状态示意简图 第4 章急冷炉艺计算理论根据 a 、 计算上升管预热段高度日， 其中，a i 水的过冷度( 欠焓) ，j ( k g k ) ， 小鲁k + 蔷卜等卜旷“。印l r 坐一每增减16 口，饱和水的焓的增减数值，j ( 堙b a r ) ； q ，单位长度1k g 水所吸收的热量，j ( k g ) ； f _ 饱和水的焓值，堙； f m 进入汽包的给水的焓值，j k g ； k “水循环倍率； 血，下降管向周围散热损失量，可不计； 卸，下降管阻力，p “，由如下关系式得出： 订卜等j 知 其中，孝i 下降管总局部阻力系数； 月。下降管长度，m ； 矗w 下降管内径，脚： ”w 下降管内水的流动速度，“5 ； 九一摩擦系数，与单相流动计算方法相同： p ，饱和水密度，培川3 。 b 、计算上升管汽化段内汽、水混合物重度： “。= ，。一p 一r ”如 其中，妒为截面含汽率，可根据h u g m a r k 实验处理求妒法得到 p = 印； 一 = h 至蔓堕兰兰氅曼蔓兰堡兰二一堑兰童 ，鱼堡生三茎生簦矍堡竖塑 ! 一口，7 j _ 异璀w 一恨姑 当z o o 时 = d i p ， d p , + ( c - d ) p , k = s ( z ) ： z = 蔫碚 足= 一o 1 6 3 6 7 + 0 31 0 3 7 z + 0 0 3 5 2 5 2 2 。0 0 0 1 3 6 6 2 3 当z 1 0 时， k = 0 7 5 5 4 5 + 0 0 0 3 5 8 5 z 一0 1 4 3 6 1 0 - 4z 2 g 循环水流量，蛔胎 g 重量流速， ，kz s ) ： f 饱和水动力黏度，堙m j ) ； 饱和蒸汽动力黏度，垤s ) ： 汽水混合物的流速，忉5 。 c 、计算非汽化段内汽、水混合物重度 x ? p + l i x ) p ? 其中：以饱和蒸汽密度，堙肌3 。 ( 2 3 、计算阻力压头p 。： p 。= p ；+ p ， 其中：印，下降管阻力，p 。，前面已计算； p ，上升管阻力，p 。 印、2 卸+ 劫，+ 印。，+ 劬。十印。 石油大学( 华东) 硕士论文第4 鼋急冷炉工艺计算理论根据 p 、上升管汽、水两相沿程阻力，p 。： 卸，上升管局部阻力，岛； 印。，上升管提升阻力，p 。： p ，预热段沿程i _ ：j 1 3 j ，见： 卸。汽包内汽水分离设备的阻力，儿。 a 、计算上升管汽、水两相沿程阻力劬。( 可分为汽化段与非汽化段两 部分沿程阻力进行计算) ： 印j ：笔笋卜爿 其中，h 。上升管计算长度，州； w 水单项流动时的循环流速，m s ； 4 两相流阻修开：系数； ”o 蒸汽弓i 用流速s 。 b 、计算上升管局部阻力卸，： 磋，愕( ，一酬 其中，f ，局部阻力总系数，根据循环回路获取； ，”饱和蒸汽重度，n 3 。 c 、计算上升管提升阻力印 卸。，= h 。( 1 一妒) p 。一r ”) d 、计算预热段沿程阻力印。： 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章急冷炉t ：艺计算理论根据 瓴咄。等旁 e 、计算汽包内汽水分离设备的阻力卸。： 蚧鹄) 斟+ 鲁 ，剖 其中，f ，分离器内的局部阻力系数； 氕7 l 板等其它分离设备的阻力系数。 4 2 3 水循环的故障及循环可靠性的校验计算 ( 1 ) 、进行水循环校验计算的目的 水力计算中选取的水循环回路一般是按照循环回路的平均值进行计算 的。但在急冷炉的实际结构与实际运行中，与平均的计算回路之间存在着 一定的差别，这些或多或少的差别会对锅炉的运行带来一定的影响，从而 对锅炉的安全构成一定的威胁。这些可能存在的危险性表现在： 循环回路中下降管和上升管的管径、高度、布置、受热情况不完全 相同，尤其是各个受热管的受热情况存在一定的差别，受热的不均匀造成 各循环回路中循环流速不同。个别流动状况差的管子冷却效果差，将使受 热管壁温升高，严重的会使管壁破裂，不能安全运行。 负荷变化及操作的波动对回路也有不可避免的影响，有时会引起回 路循环恶化，导致受热管产生不正常现象。 设计结构的不合理，也会引起循环回路出现各种故障。 因此，在按照循环回路的平均值计算以后，对有关的结构要进行分析， 对操作比较差的回路要进行补充验算，分析原因，使全部循环回路的受热 管都能在安全范冈内工作。 ( 2 ) 、水循环校验的内容 a 、循环停滞的校验 石油夫学( 些东) 硕士论文第4 章急冷炉工艺汁算理论根据 当某根受热管的迸水量等于其出口产汽量，即k = i 时，在受热管内汽 水混合物流速很慢，尤其是在管子的上部，只有蒸汽慢慢上升，受热管壁 与蒸汽直接接触，这种现象叫做回路循环停滞。 此时，蒸汽和管内壁之间换热系数低，导致管壁温度很快升高，引起 破裂。因此，必须i m 止j l t 现象的发生。不产生循环停滞的条件是 印n 1 1 a p 、。 其中，p 。正常循：坷：时管束( 管屏) 回路工作压差，儿； p 。k = 1 时计算出的管束( 管屏) 回路工作压差，岛。 b 、 循环倒流的校验 上升管系统( 受热管束) 的介质，反过来向下流动的现象，就是循环 倒流。当倒流现象发生时，如果倒流的流速大，受热管的冷却效果仍然较 好，则不会有大的问题。但一般倒流的流速很小，在上升管中还有缓慢上 浮的蒸汽，缓慢的水流则带动气泡向下，结果使气泡处于几乎不动的状态， 积聚的气泡不能够较好地冷却管壁，从而给受热管带来因超温而被破坏的 可能。 不出现循环倒流的条件上升管倒流阻力大于下降管内下降流动的 阻力时，倒流则不可能发生，即应该满足 卸洲1 1 卸g 式中，卸甜为上升管流动压头，p g 为因受热差而变成的下降管( 或选 择用于校验的受热最弱管) 管内下降流动的有效压头( 该管与上升管间重 位压差减去该管下降流动时的阻力) 。 倒流主要发生在上升管直接引入锅筒水面以下的系统和具有上下联箱 的水冷壁系统。本急冷炉的受热管束具有上下联箱，应考虑进行循环倒流 的校验。 c 、汽水分层的校验 当上升受热管为水平管和倾斜管，进管循环流速较慢时( 流速低于 0 3 0 5 。，) ，由于重度差的作用，水在管子的底部流动，蒸汽在管子的上 2 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章急冷炉工艺计算理论根据 部流动，这种现象称为汽水分层。汽水分层现象的出现，一方面有可能导 致管壁温度升高，使管子被烧坏：另一方面，也有可能在汽水交界处使金 属发生热疲劳而导致管壁破裂损坏。 本急冷炉的受热管束为垂直管柬，因此不必进行汽水分层的校验。 d 、下降管带汽的校验 下降管带汽和蒸发，尽管是两种不同的现象，但二者都导致了下降管 中出现汽水两相流动，容积增加，流速提高，汽水问存在相对运动，使管 内阻力增大，对安全循环产生不利影响。 校验汽包内上升管出口和下降管入口间的距离是否太近，并查看二 者之间是否安装挡板； 查看下降管在汽包内的入口高度是否在汽包液位波动时能够不露出 液面； 校验下降管入口出的水压是否高于水蒸气的饱和温度；具体应满足 p u k + ps a p ：一ps 即凸易女) 昀 其中，印m = a h # 卸：f ：1 5 荽，。 上g 其中，p 。蒸汽的饱和压力，岛； 舰汽包液面至下降管入口处液位的净压力，仍； a p 1 下降管人口处的局部阻力，p c , ： 幽下降管入口至汽包液面的高度，m ； 校验是否在下降管入口处能够不产生漏斗形水面。为完成此项校验， 可首先计算下降管流速1 i x , s 和汽包液面假象水平流速，根据文献 1 8 中 图1 l m 3 8 查得a h ，。l d ，从而算出极限水位a h j , ；然后与汽包内实际水位高 度 。进行比较，若幽，小于a h 。，则在下降管入口出不产生漏, 4 - y c z k 面a 查塑奎兰! 兰至! 塑主丝墨 里! 兰墨堡生兰茎生竺翌堡堡型 否则，应采取必要措施，如在下降管入口出装十字隔板或隔删。 e 、下降管蒸发的筱验 当下降管受热不均l 本急冷炉下降管不受热) ，或配给下降管的水量不 均时，某些下降管的流最大于平均流量，使其管内阻力过大，导致在该下 降管的下部的压力低于该处水的饱和温度，产生下降管底部蒸发。同下降 管的带汽一样，下降管的蒸发也对安全循环构成威胁，应该避免。 要防止下降管蒸发，应满足以下关系式 中刖+ 盖r x l o s 卜等吣 式中，甲给水分配不均匀系数，根据下降管布置方式和孔口流速确定； 可。下降管最大吸热不均匀系数，对于本急冷炉，7 7 ，= 1 ： f ，下降管内循环水因吸热得到的焓增，本急冷炉。其值为零； 下降管的水位高度，埘； 其余各参数意义同前。 f 、循环倍率k 值的校验 当锅炉的上升管为垂直一b - j t 管时，应满足循环倍率k 3 。本急冷炉属 于垂直上升管结构，且循环倍率k 一1 0 ，满足要求。 4 3 工艺气体阻力计算 工艺气体经入口段、换热段和出口段穿过急冷炉，期间将产生一定的 阻力。流体阻力需要外束的机械功补偿，以维持流体的流动。阻力的大小 与机械功消耗的多少成正比。为了节省动能的消耗，应在设计中选择合理 的结构，尽可能减小流体流动的阻力。同时，气体阻力的存在，还影响到 气体在管内的流速，从而影响到管内的对流换热系数。这样，在进行热力 计算时，往往需要和气体的阻力计算同步进行。 流体阻力的大小需要进行计算，正确设计计算流体的阻力对降低能耗 鱼塑查堂! 些查! 堡圭笙苎 笙! 童墨堡生三茎生塞里堡堡塑 和保证生产都具有重要的意义。 4 3 1 工艺气体的阻力 一般情况下，工艺气体流经急冷炉的总阻力可按下式计算 却：2 卸”+ 卸p + 卸口+ 卸。( 4 一i ) 其中，p 。沿程阻力，p 。； p 如局部阻力，p 。； 卸力附加阻力，因气体属于非定温流动，气体加速而引起，p 。； 卸。内阻力，由浮升力的作用而引起，p 。 4 3 2 各种阻力的计算方法“7 _ 2 2 ，2 6 2 7 1 ( 1 ) 沿程阻力的计算 瓴= 言譬 z a ， 或卸，= 五万l 譬v ( 4 - 2 b ) 式中： 沿程阻力系数； 三管道长度，”t ； p 气体密度，始m3 ； c 气体流动速度，m h ： 肛气体质量流量，培b 2 s ) ： v 计算段内气体平均比容，朋3 堙： d 管道直径或当量直径，m 。 ( 2 ) 局部阻力的计算 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章急冷炉工艺计算理论根据 助扩告年 ( 4 _ 3 ) 其中，孝为局部阻力系数，可根据局部阻力产生处的结构来确定： c 流体受到局部阻力后的速度，m s 。 ( 3 ) 加速压降的计算 加速压降因： 质流速改变而引起流体净压力的改变，与阻力损失不同， 前者属于能量的转换，后者属于能量的损失。 = ：2 一扣 。a ， 其中，p 。，p ：分别为阻力计算段进、出v i 流体的密度，坛加3 ； c ，c ：分别为阻力计算段进、出口流体的速度，m s 。 由于流体在流经急冷炉各部分、尤其是换热段时，流体的温度在变化， 因此，附加阻力的计算贯穿于阻力计算的各个阶段中。 ( 4 )内阻力的计算 卸，= + - g ( p o p ) h ( 4 5 ) 该项阻力只有在开式系统( 流体排向周围空气) 才存在。由于该急冷 炉处于闭式系统，因此内阻力为零，不必计算。 ( 5 ) 全压与净压的关系 p c 2 p 掣2p + _ ( 4 - 6 ) 式中，p 。流体全压p 。： p 流体净压，p 。 ( 6 )计算管段前、后净压力问的关系 p 1 一p 2 = p ) 。+ p p + p 西+ 6 p 。 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章急冷炉工艺计算理论根据 4 3 3 有关参数的计算 ( 1 ) 沿程阻力系数 的计算 当r e 2 0 0 0 时，流体在层流区 五= 6 4 r e ： 当2 0 0 0 ( r e 1 0 ，并且a c _ s o z 时 丑：o 3 1 6 4 r e o 2 5 当2 0 0 0 ( r e 51 0 5 ，开且r e ) 8 0 at , 1 ；2 i g ( r e 打- 08 ) 万“” 飘s ( 拶5 e 。”时 击川- s 【三r e 涛+ 刍j打一弋顿37 j 当r e ) 4 ，6 0 f i lr 时 、2 ， 击= 2 1 9 去川a打 2 五 苴中五管i 首相对耜糙度。 ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 2 ) 气体密度p 的计算 舻旦( 4 1 2 ) 口= _ 上( 1 2 ) p g 其中，r 气体常数可根据气体组成及各组成的百分含量计算： 瓦气体温度，： p g 气体净压力，p “。 ( 3 ) 气体流速c 的计算 f i 汛：学r 华东) 硕士论又第4 章急冷炉【：艺t i 算理论根据 “ 其中，g 工艺气体流量，k g s ； a 流体流动截面积，川2 ； ( 4 ) 管道当量直径的求法 妒等 其中， u 湿周( 流体与管道接触到的截面长度) ，m 。 ( 5 )r e 的计算 r e ：型 “ 其中，流体动力粘度，姆s ) 。 ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) ( 4 一1 5 ) ( 6 ) 局部阻力系数f 的获得 本急冷炉工艺气体的局部阻力计算中，涉及到的局部阻力系数主要有： 锥形扩散管局部阻力系数# ，锥形收缩管局部阻力系数 ：，管道进口局部 阻力系数岛和管道出口局部阻力系数f 。 f ，和f ：可根据：文献 】 、 18 中的有关公式和图表查取；根据文献 1 ， 善3 年口# 4 分另0 为o 5 茅口1 1 。 4 3 4 各阻力段的阻力、压降计算 ( 1 ) 从计算的角度划分阻力段 根据急冷炉中工艺气体流经处的结构特点、几何尺寸和方便计算的角 度，可将工艺气体的总阻力压降分为1 2 个阻力压降计算段，各具体阻力计 算段的位置见图2 。各段阻力( 除附加阻力外) 属性分别为( 括号内阿拉 伯数字为按顺序排列的阻力段序号) ： 入口第一( 1 ) 阻力段，直圆管道，存在沿程阻力p g d l ，有压降卸1 ； 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章急冷炉工艺计算理论根据 入口第二( 2 ) 阻力段，截面渐扩段，存在局部阻力p g d 2 ，有压降卸2 ： 入口第三( 3 ) 阻力段，截面渐扩段，存在局部阻力p g d 3 ，有压降印3 ； 入口第四( 4 ) 阻力段，渐扩段和非圆直通段连接处，存在局部阻力 p g d 4 ，有压降印4 入口第五( 5 ) 阻力段，非圆直通道，存在沿程阻力p g d 5 ，需计算当 量直径，有压降印j ； 入口第六( 6 ) 阻力段，流体进入换热管束，进口处存在局部阻力p g d 6 ， 有压降卸6 ； 换热管束( 7 ) 阻力段，为直管段，存在沿程阻力p g d 7 ，有压降卸7 ； 出口第一( 8 ) 阻力段，流体自换热管束流出，出口处存在局部阻力 p g d 8 ，有压降a p 8 ； 出口第二( 9 ) 阻力段，为非圆直通道，存在沿程阻力p g d 9 ，有压降 a p 9 ； 出口第三( 1 0 ) 阻力段，非圆直通道育渐缩段连接处，存在局部阻力 p g d l 0 ，有压降卸l o 出口第四( 1 1 ) 阻力段，为铖面渐缩段，存在局部阻力p g d l l ，有压 降印 出口第五阻力段，为直圆管道，存在沿程阻力p g d l 2 ，有压降锄2 。 石油大学( 华身、) 硕十论夏第4 毒急冷炉二r 。艺计算理沦根据 人口 图4 - 2 急拎炉l 。艺气体阻力计算分段示意图 ( 2 )从急冷炉的结构角度来划分 从大的结构角度看，本类型急冷炉可分为三部分入口段、换热段 和出口段。相应地，就有入口段压降卸1 ”入口段与换热段连接处压降 印23 、换热段压降p 3 换热段与出口段连接处压降z 妒4 5 和出口段压 降p 5 6 。 ( 3 )压降、压力间的关系 印1 ，22 印1d - 卸2 + 卸3 + 卸4 ( 4 1 6 a ) 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章急冷炉工艺计算理论根据 卸2 3 = 印5 a p 3 ，4 = a p 6 印4 5 = 卸7 a p 5 6 = a p 8 + a p 9 + p l o ( 4 1 6 b ) ( 4 1 6 c ) ( 4 一1 6 d ) ( 4 1 6 e ) 4 3 5 具体计算步骤 ( 1 ) 各阻力段压降计算 根据急冷炉入口工艺气体参数，进行入口第一阻力段阻力计算，得到 幻，、出1 2 1 全压、净压、出口温度、出口速度等参数值；然后根据第一阻力 段计算得到的有关出口参数值，计算第二阻力段的印：、出口全压、净压、 出口温度、出口速度等参数值；这样依次类推，得到各段的阻力参数及相 关参数值。 ( 2 )急冷炉各结构段压降计算 根据( 4 1 6 a ) ( 4 1 6 e ) ，分别得到入口段压降卸l 2 、入口段与换热段 连接处压降a p 23 、换热段压降p 3 ，4 、换热段与出1 2 1 段连接处压降z 妒4 5 和 出口段压降z x p 56 。 ( 3 )急冷炉工艺流体总压降计算 根据上述计算结果，得到工艺气体流经急冷炉的总的全压降a p 和e 2 , 的净压降卸j y ： p q y2p j k q p c c q t 4 1 7 ) 邸i y 。p 内一p c 0 4 1 8 ) 式中，p j k g ，p c k q 分别为急冷炉进、出1 2 ：1 n q - g 气体全压值，p j k j ，p c 每分 别为急冷炉进、出v l 断工艺气体净压值，它们均在步骤( 1 ) 中求得。 石油：一学( 坐东) 硕 论文第5 章急冷炉计岸软件开发 第5 章急冷炉计算软件开发 依据对急冷锅炉的选型结果和工艺特点分析，以第四章急冷炉计算的 理论为基础，根据热力计算、气体阻力计算、水力计算、壁温计算的步骤， 设计开发了急冷废热锅炉工艺计算软件。软件是利用d e l p h i 程序( 5 0 版) 进行开发的，可运行在w i n d o w s9 5 9 8 ，m e 烈t 等多种环境下。 5 1d e i p h i 软件介绍瞳8 1 d e l p h i 是著名的b o r l a n d ( 现在己和i n p r i s e 合并) 公司开发的可视化 软件开发工具。d e l p h i 陂称为第四代编程语言，它具有简单、高效、功能 强大的特点。d e l p h i 同时兼备了v c 功能强大和v b 简单易学的特点。它 一直是程序员至爱的编程丁，具。 d e l p h i 是全新的可视化编程环境，为我们提供了种方便、快捷的 w i n d o w s 应用程序开发工具。它使用了m i c r o s o f t w i n d o w s 图形用户界面的 许多先进特性和设计思想，采用了弹性可重复利用的完整的面向对象程序 语言( o b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e ) 、当今世界上最快的编辑器、最为领先的数 据库技术。 d e l p h i5 添加了对i d e ( 集成开发环境) 的很多改进新特性，扩展了 数据库支持( a d o 和i n t e r b a s e 数据库) ，带有i n t e m e t 支持的m i d a s 改进 版，t e a m s o u s e 版本控制工具，转换功能，框架概念咀及很多的新组件与 新特性。 d e l p h i 实际上是p a s c a l 语言的一种版本，但它与传统的p a s c a l 语言有 天壤之别。一个d e l p h i 程序首先是应用程序框架，而这一框架正是应用程 序的“骨架”。在骨架上即使没有附着任何东西，仍可以严格地按照设计运 行。您的工作只是在“骨架”中加入您的程序。缺省的应用程序是一个空 白的窗体( f o r m ) ，您可以运行它，结果得到一个空白的窗口。这个窗口具 有w i n d o w s 窗口的全部性质：可以被放大缩小、移动、最大最小化等，但 您却没有编写一行程序。因此，可以说应用程序框架通过提供所有应用程 石油大学( 华东) 硕士论文第5 章急冷炉计算软件开发 序共有的东西，为用户应用程序的开发打下了良好的基础。 d e l p h i 已经为您做好了一切基础工作程序框架就是一个已经完成 的可运行应用程序，只是不处理任何事情。您所需要做的，只是在程序中 加入完成您所需功能的代码而已。在空白窗口的背后，应用程序的框架正 在等待用户的输入。由于您并未告诉它接收到用户输入后作何反应，窗口 除了响应w i n d o w s 的基本操作( 移动、缩放等) m - ，它只是接受用户的输入， 然后再忽略。d e l p h i 把w i n d o w s 编程的回调、句柄处理等繁复过程都放在 一个不可见的r o m u l a m 覆盖物下面，这样您可以不为它们所困扰，轻松从 容地对可视部件进行编程。 面向对象的程序设 - ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简记为o o p ) 是 d e l p h i 诞生的基础。o o p 立意于创建软件重用代码，具备更好地模拟现实 世界环境的能力，这使它被公认为是自上而下编程的优胜者。它通过给程 序中加入扩展语句，把函数“封装”进w i n d o w s 编程所必需的“对象”中。 面向对象的编程语言使得复杂的工作条理清晰、编写容易。 5 2 程序结构功能和特点 该软件由三个主要部分构成，即设计数据的输入模块，设计计算模块， 和计算结果的显示模块。总体流程如下 一。 | = 二二= 叹 壁温计算结果 一 设计数。， 设计计算 鳖。= = = = 文 水循环计算结果 气体阻力汁算结果 幽5 - 1 程序结构示意剀 设计计算部分依据第4 章所述的计算理论，采用p a s c a l 语言编制，程 序框图如图5 - 2 和图5 - 3 所示： 至堕型兰生! 兰至l 堡堡兰 茎i 兰量堡生盐兰堑笪茎垄 一一一一。一 开始 输入工艺气体参数、急冷炉 结构尺寸、选定计算长度 调用阻力计算单元，进行入口段 阻力计算 输入循环倍率k “ 假定传热系数r 计算拯热段传热系数、传热面 积、气体阻力等 计算出实际结构下传热系数k ： 否 根据：与e 的 相对大小，对k 进行适当调整 计算结束 调胄j 子程序，显示水力计算结果 阔用子程序，显示阻力计算结果 调辟j 子程序，显示热力计算结果 调用子程序，显示壁温计算结果 f f 恐一丘j ，丸f o o o 是 按温降法对前面传热计算进行修上e 调剧阻力计算单元进行出口段 阻力计算 否 得循环倍率如： 是 p “p | 计算阻力压头卸= ， 计算流动压头印。 选取一循环倍率世。 图5 - 2 程序框图 否 如 铡 根据_i址头的相对人小嘲整稽环蚓引 石油犬学( 华东) 硕士论文第5 章急冷炉计