空冷器扩能改造的一种实用方法.doc

空冷器扩能改造的一种实用方法 偶国富 偶国富 （1965）男（汉族），江苏太仓人，高级工程师，浙江大学在读博士生，曾从事首套国产化加氢裂化装置的设备技术管理和攻关完善工作，已发表论文16篇，获1997年度中国石油化工总公司科技进步三等奖1项。 黄叔儒（浙江大学 杭州 310027） (镇海炼化公司 宁波 315207) 摘要：以镇海炼化公司80*104 t/a加氢精制装置反应流出物空冷器扩能改造为例，分析了空冷改造的思路，方案的选择以及新技术的应用，实践证明：风机的改造是空冷器扩能改造的一种实用方法。关键词：空冷器 扩能改造 TD风叶1、 概述 空气冷却器（以下简称空冷器）在石油化工装置中得到了广泛的应用。近年来，炼油装置的长周期运行、变工况生产、扩能改造是企业追求效益最大化的常见思路，而与原设计工况配套的空冷器，因冷却负荷不足或换热效率低，常常成为装置夏季高负荷生产的瓶颈，甚至会影响装置的本质安全。如何在不影响装置生产的情况下，寻找一种实施过程简单、投资费用节省、安全可靠实用的空冷器扩能改造的方法，越来越引起人们的关注。2、 空冷器扩能改造2.1、问题的提出镇海炼化公司80万吨/年的加氢精制装置，于1992年7月投运，原设计以胜利直馏柴油为原料，以生产精制柴油为目的产品，设计运行周期为一年一修。随着企业的发展，装置经过两次技术改造，具体改造内容见表1，同时随着加工原料的变化，装置实际生产工况与最初设计工况相差甚远，这必然给装置的正常生产带来一系列的负效应，对本装置反应部分来说，受影响较大的则是空冷器冷后温度高，超出工艺指标。反应空冷器部分原则流程见图1，自92年开工以来，四台空冷（A201/AD）加上水冷（E203）能满足将反应流出物冷却到适合的温度（设计的F202：加热炉 R201：反应器 A201/AD：空冷器 E203：水冷 V202：高压分离器图1：反应空冷部分简图温度为55），然而， 98年后，由于原料及工况变化频繁、反应苛刻度提高以及装置运行周期的延长等原因，空冷器冷后温度严重超标，时常出现四台空冷器全部运行且水冷E203循环水全开，仍不能将反应流出物冷却到设计温度。表2是近年来在工况及环境温度相近时，A201/AD冷后温度的对比。若冷后温度过高，则会导致：1、三相分离时气体带液，严重时会导致循环压缩机入口气体带液，影响压缩机安稳运行。2、高压分离器三相分离不彻底，影响产品质量。3、特别是在停机等事故状态下，极易导致事态恶化。因此为了安全，车间不得不降低处理量。空冷器冷后温度的超标成为装置提高处理量的瓶颈，如何将空冷器进行扩能改造成为当务之急。 装置改造内容 表1时间改造内容反应温度空冷器出口温度98.6.5装置改造成军柴加氢3205499.6.5装置改造成航煤加氢300552001.6装置加工含硫原油32058 A201/AD冷后温度对比表 表2时间97.699.62001.6A201/AD冷后温度 535558 2.2改造思路的选择 鉴于上述分析，我们进行空冷扩能改造的目的是提高空冷器的冷却效果，将冷后温度降下来，而不是增加工艺介质的流量，通常扩能改造的思路有以下几种：2.2.1、增加空冷器台数，增加换热面积 这种方法投资费用大，实施周期长，且只能在停工检修中才能实施，而且还常常受实际场地和工艺参数的限制，此法一般不足取。2.2.2、空冷器管内外化学清洗 空冷器管束内壁和管外翅片的表面污垢是影响空冷器换热效果的主要因素，对于工艺介质较脏，流速较小以及现场环境较脏的空冷器，进行化学清洗，能显著提高冷却效果，但化学清洗通常只能在停工期间进行，而且又会随着生产周期的延长，冷却效果越来越差。2.2.3、在空冷翅片管上喷水 据有关计算在水平空冷器翅片管上喷水可以达到降温23的效果，但同时也带来不利因素：1：若喷洒未经处理的水，由于翅片管的温度高，将导致翅片管结垢，影响空冷器的散热效果。2：若采用处理过的水，成本太高，同时喷水还将造成水资源浪费及缩短空冷器使用寿命。3：喷水量及均匀程度难以控制。4：影响装置现场规格化管理。由此看来，此法可行性不大。2.2.4、改造风机通过风机的改造来提高空冷器的冷却效果，主要是在风机主要结构尺寸和电机不变的情况 下提高风机的风量和全压。本装置空冷A201/AD使用的风机型号为GF-ZF36B4-e22，采用的叶片是TB型叶片。TB系列叶片是我国在八十年代初对引进的风机进行国产化而测绘仿制的。属美国HUDSON公司六十年代技术水平。此系列叶片的设计基准是叶尖速度为60m/s，全压效率在0.8-0.85之间。如果在现有风机的基础上提高风机的冷却效果，只能加大叶片的安装角或提高风机的转数。但这样做超出了风机的正常使用范围，叶片间的气流流动处于不稳定区，使风机的全压效率会大大降低。甚至造成电机超载或风机和构架的损坏。空冷器风机是一种低压头、大流量、小轮毂比、无前后导叶的单级轴流通风机。设计生产高效低噪空冷器风机，选用先进的叶片切面翼型和正确的设计方法是关键。石家庄红叶空冷器风机研究所研制的TD型系列叶片是目前国内较为先进的一种叶片。TD系列叶片选用具有九十年代国际先进水平的GA（W）系列翼型。这种翼型主要用于轻型飞机和飞机螺旋桨。这一翼型为超临界流动翼型，具有较好的低速特性。在低马赫数、低雷诺数下，最大升力系数可达1.6左右，升阻比达100以上，正常冲角范围在20左右。而且上下翼面的压力分布较为平缓，失速冲角大，后缘分离区小。这一翼型是目前应用于空冷器风机设计较为先进的风机翼型。几种风机叶片常用翼型的气动参数见表3。常用翼型的主要气动性能表 表3NACA4412NACA64-6-12RAE-6ECLARK-YGA（W）最大升力系数1.381.321.341.261.6最大升阻比90958076100最大攻角 14 12.5 11.5 16 16攻角范围 18 16 16 20 20TD型系列叶片气动设计是依据儒柯夫斯基涡流理论而建立的孤立翼型设计方法和T.Fukano、Y.Kadama、Y.Scnoo对低压轴流通风机噪声的估算方法，对影响空冷器风机全压效率和噪声的主要参数进行分析。通过计算、比较，设计出具有高效率、低噪声的空冷器风机。风机轴向速度沿径向的分布取为常数，没有速度梯度的变化，防止了由于环面间的速度差所产生的涡系而导致三维流动的出现。对于风机的转数，既考虑风机设计工况的全压效率，又考虑风机的噪声。一般风机的转数愈高，则其全压效率愈高。但同时风机的噪声也随之增加。风机旋转噪声与叶尖速度的十次方成正比，涡流噪声与叶尖速度的六次方成正比。为提高叶片的强度和刚度，叶片切面的相对厚度沿叶片长度是逐渐变化的。TD型叶片的叶尖相对厚度是13%，最大弦长处的相对厚度是17%。叶片风机的性能计算是在已知叶片的几何参数和风机运行参数下，假设风机流量，通过插值寻找各切面的真正环量值。计算攻角、升力系数和阻力系数，最终计算出各切面的气动载荷和扭矩，通过数值积分得出在该流量下的全压、轴功率和全压效率。由于计算时未考虑叶尖的三维效应影响和二次流损失，故计算结果可能在小流量区和大流量区与实际风机的性能有差异。为验证叶片设计的可靠性，首先进行模型级性能试验，然后进行实际工况测试。经试验测试证明：正常使用情况下，TD型叶片风机全压效率在0.850.89之间。而且效率包络线平缓，当实际工况偏离设计点时，风机全压效率变化不大。风机可长期在高效区运行。2.3、改造方案的确定 本着提高风机风量、出口风压及全压效率的目的，我们从以下两个方面进行研究：2.3.1、增加叶片数 由于空冷器翅片管已使用了一段时间，翅片间有污垢，加上一些翅片损坏，管束的静压损失明显增加。要想达到预期的冷却效果，必须提高风机的全压。而提高风机全压最有效的方法是增加叶片数。我们通过TD系列四叶风机与六叶风机的对比实验，取得典型的数据，见表4： TD系列四叶风机与六叶风机的对比实验数据 表4 转数叶片安装角 风量 全压 轴功率全压效率单位 r/min度 104m3/h Pa kw %四叶片 27515 30 205 20 85.4六叶片 27510 30 214 20 88.8 从以上数据可以看出：在消耗相同功率的情况下，六叶风机的出口风压比四叶风机的高，全压效率也提高了3.4个百分点。2.3.2增大叶片安装角 原TB系列风机自调轮毂由于轮毂结构复杂，经常发生故障，使用与维护很不方便。本次改造决定选用手调轮毂。根据风机电机的额定电流来调整叶片的角度，从而能保证电系统不进行更换的情况下，最大限度地提高空冷器的冷却效果，而且运行效率高，性能稳定可靠。 3、 技术改造实施根据现场空冷器的实际情况，经与厂家研究分析，确定如下改造方案：a：更换风机叶片。由TB型更换为TD型叶片，每台风机由四叶改为六叶。b：更换轴承座。轴承座内轴承由单列向心球轴承，改为3613双列调心磙子轴承，同时提高轴承座的高度。 c：轮毂由自调轮毂改为手调轮毂。d：皮带轮由4槽改为5槽。风机转速由318 r/min变为275 r/min，从而将风机叶尖速度从60m/s降到52 m/s。 4、 改造效果在不影响生产的情况下，对空冷器A201/AD逐台进行改造，于11月底完成全部技术改造工作。从实施过程来看，改造工序短，施工方便，拆除旧风机、安装新风机不到一天时间。为了确认改造效果，车间专门对改造前后相近工况取了若干数据进行测试对比，见表5。同时，车间从另一个角度进行对比，在相同的工况、环境条件下，改造前后同样运行四台空冷，通过调节后冷器E203的冷却水量，来确保相同的冷后温度，水冷E203的循环水耗量以及装置所能处理的最大量的对比。见表6。 风机改造前后空冷冷却效果对比 表5改造前改造后空冷入口介质温度160163空冷出口介质温度5852 风机改造前后水冷E203循环水耗量对比 表6改造前水耗量T/D改造后水耗量 T/D改造前加工量T/h改造后加工量 T/h冷却至5565004500100105冷却至508000500090100 通过对比发现，风机经过技术改造后，空冷器换热效果大幅提高，空冷器冷后温度能很容易控制在工艺、设备所要求的温度范围之内；同时也能达到提高装置的处理量，降低装置循环水用量的目的，解决了这个以前影响装置生产的瓶颈。5、结论 近年来，炼油装置普遍实现了两年一修，加工油种的难度也越来越大，许多装置都面临着扩能改造和变工况运行，同时，因空冷器冷后温度高，使许多装置夏季的处理量受到约束，效益损失巨大。据调查，镇海炼化公司目前大部分空冷器都在使用四片的TW、TB叶片，而且电力系统有较大富裕量，为此，通过风机改造来提高空冷器的冷却效果是一种行之有效、造价低廉且方便实施的实用方法，对类似情况的空冷器扩能改造具有极大的借鉴作用。Abstract: The example of reacting air-cooled heat exchangers reconstruct in Zrcc of 80*104t/aReforming and hydro-treating device ,is analysed the clue of reacting air-cooled heat exchangerss transform,