加氫裝置運行全周期高壓換熱器垢阻計算與應用效果

姚立松，穆海濤

（中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東青島２６６５００）

 摘　要：采用ＭＡＴＬＡＢ軟件，跟蹤計算某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器運行３年來的垢阻。計算結果表明，運行期間高壓換熱器結垢速率可控，運行末期總垢阻為１．２×１０－３（ｍ２·Ｋ）?Ｗ。生產中根據結垢速率逐漸將阻垢劑加注濃度由１００ｇgμ/ｇ下調至２５～３５ｇgμ/ｇ，單周期節約阻垢劑成本約１　１５９萬元。此外，基于ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器模塊計算理論，構造采用ＡＳＰＥＮ軟件計算換熱器垢阻的方法。
    關鍵詞：加氫裝置　高壓換熱器　垢阻　換熱系數
    文獻［１］中介紹了某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器垢阻的計算原理和計算方法，并采用ＭＡＴＬＡＢ軟件，計算了該裝置２臺高壓換熱器投入運行后半周期的垢阻。通過比較，確認總垢阻趨勢與副線實際開度趨勢相吻合，驗證了計算結果的可靠性。結合該計算結果，提出了將阻垢劑加注濃度由１００ｇgμ/ｇ降低至３５ｇgμ/ｇ，以降低裝置運行成本。但是，受裝置運行時間的限制，文獻［１］并未完成對該高壓換熱器運行一個周期即３年的垢阻跟蹤計算，因此，無法完全確認該阻垢劑加注濃度下調的長周期效果。因此，本課題接續文獻［１］的工作，跟蹤計算了３年來該裝置高壓換熱器垢阻，以確認該加注濃度的有效性。此外，基于ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器模塊計算理論，構造采用ＡＳＰＥＮ軟件計算換熱器垢阻的方法，探討采用該軟件計算垢阻的可行性與準確性。
    １　ＭＡＴＬＡＢ軟件計算垢阻
    １．１　計算結果
    按文獻［１］介紹的計算原理及方法，對某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器Ａ和Ｂ的垢阻分別進行跟蹤計算，數據選取范圍為自換熱器投入使用直至第一個生產周期結束，共１　１００個生產日，期間每１５天取一組數據。高壓換熱器Ａ和Ｂ的垢阻趨勢分別見圖１和圖２。

            
    從圖１可以看出：高壓換熱器Ａ在開工初期基本未發生結垢，運轉５個月后垢阻開始上升，并在隨后的三個月內垢阻上升較快。期間垢阻的波動幅度較大，主要原因在于裝置生產負荷調整較熱器副線開度等均變化不大。自此直至該運行周期結束，換熱器垢阻在平緩態勢中呈微漲趨勢。從圖２可以看出：高壓換熱器Ｂ在開工初期即產生了一定的垢阻，此后９個月內，隨運轉時間的不斷增加，垢阻增速較快。投產１０個月后直至該運行周期結束，裝置工況趨于穩定，調整幅度不大，垢阻在平緩態勢中呈微漲趨勢。
    結合高壓換熱器Ａ及高壓換熱器Ｂ的計算結果，運行３年后高壓換熱器Ａ、Ｂ的總垢阻為１．２０×１０－３（ｍ２·Ｋ）?Ｗ。高壓換熱器Ａ、Ｂ的總設計換熱系數為４２０．９Ｗ?（ｍ２·Ｋ），截至第１　０１０天，實際總換熱系數為４１２．６Ｗ?（ｍ２·Ｋ），相對于開工初期的實際總換熱系數４７２．４Ｗ?（ｍ２·Ｋ），下降了５９．８Ｗ?（ｍ２·Ｋ）。需要指出的是：開工初期裝置處理量僅為設計負荷的８４％，而末期處理量達到了１１０％。
    １．２　結垢狀況確認
    ２臺高壓換熱器殼程設計有一條總副線，通過調整該副線開度，實現對換熱器管程總出口溫度的控制。高壓換熱器副線閥開度的變化在一定程度上能夠反映換熱器的結垢程度。因此，為進一步確認高壓換熱器結垢狀況，給出了２臺高壓換熱器的總垢阻與副線開度的趨勢，見圖３。從圖３可以看出，隨著總垢阻的不斷增加，換熱器副線開度逐漸降低。截至運行周期結束，換熱器副線開度已由開工初期的４０％強降至５％左右。而且，副線開度的變化趨勢與垢阻變化趨勢呈現出一定的對應關系，說明垢阻計算結果可信。

              
    １．３　阻垢劑加注情況
    該裝置采用加注阻垢劑的方式，延緩高壓換熱器結垢。根據高壓換熱器垢阻計算數據，對阻垢劑加注濃度進行了調整，在確保高壓換熱器結垢狀況可控的前提下，適當降低阻垢劑用量。裝置開工初期，根據設計方要求，加注濃度初步定為１００ｇgμ/ｇ，此后，根據高壓換熱器結垢狀況，逐漸下調加注濃度，運行半年后，該裝置阻垢劑加注濃度降至３５ｇgμ/ｇ，運行２年后，阻垢劑加注濃度降至２５ｇgμ/ｇ。與開工初期相比，阻垢劑月消耗量平均降低了１５．３ｔ，阻垢劑價格按２．１萬元?ｔ計，則該運行周期節省注劑費用１　１５９萬元。而且，從換熱器結垢狀況以及副線開度來看，在該阻垢劑加注濃度下，換熱器運行工況良好，能夠滿足裝置長周期運行要求。
    ２　ＡＳＰＥＮ軟件計算垢阻
    ２．１　計算原理與方法
    ＡＳＰＥＮ軟件雖數據庫豐富，功能強大，但鑒于換熱器垢阻形成機理、形成速率的復雜性與多變性，該軟件暫時并不具備直接計算換熱器垢阻的能力。但根據換熱器熱量衡算、傳熱膜系數方程及ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器模塊設計理論，可根據該軟件構造出相對可靠的垢阻計算方法。
    在ＡＳＰＥＮ軟件的換熱器嚴格法核算中，垢阻的數值是需要根據經驗人為給定的。在給定該值之后，軟件將根據換熱器幾何尺寸、冷熱物流流量、溫度，計算出物料物性、總熱負荷、幾何溫差、總傳熱系數（包括了給定的垢阻值），最終計算出實際需要的換熱面積［２］。基于這一計算過程，可以考慮，鑒于換熱器幾何尺寸不變，如果能夠找到與投用初期相同的換熱器工況，即找到物料流量相同、溫度相同的工況，那么，該工況實際需要的換熱面積將與投用初期一致，因為總傳熱系數包括了垢阻，只不過初期垢阻為０，末期暫時未知而已。在末期垢阻存在的情況下，如果人為給定的垢阻數值仍為０或過小，根據總傳熱系數的計算公式（１）得到的總傳熱系數Ｋｑ偏大，從而使計算出的所需換熱面積小于初期的換熱面積。通過調整垢阻數值達到換熱面積一致的過程，即可得到末期換熱器垢阻數值。

            
    ２．２　兩種軟件計算垢阻比較
    根據２．１所述原理，構造ＡＳＰＥＮ軟件計算換熱器垢阻的方法。采用該方法，在換熱器運行的一個周期內，找到三組與投用初期相同的換熱器工況，對三個工況的換熱器垢阻進行計算。同時，采用ＭＡＴＬＡＢ軟件對該三個工況的垢阻進行計算，并將兩種軟件的計算結果進行比較，結果見圖４和圖５。從圖４和圖５可以看出，兩種軟件的計算結果都證明高壓換熱器已形成一定垢阻，且結果相接近，都能夠在一定程度上反映出換熱器結垢程度。但是，兩個換熱器的三組結果，均為ＡＳＰＥＮ軟件的計算結果略小于ＭＡＴＬＡＢ軟件的計算結果，具體原因分析如下：鑒于工業生產裝置的非實驗性，以及換熱器垢阻生成的不可避免性，運行后期換熱器副線開度必然要小于投產初期。即在相同的物料流量下，末期換熱器殼程介質流量要高于初期，管程可保持一致。這種情況將造成所構造的ＡＳＰＥＮ軟件計算方法存在一定程度的偏差。因為殼程介質流量的增加，將造成殼程傳熱膜系數的增大，從而使得理論傳熱系數增大，進而導致一小部分實際產生的垢阻值被抵消，也就是說，在末期換熱器副線關小的情形下，采用ＡＳＰＥＮ軟件計算的垢阻值要略小于實際垢阻值，這一計算結果與實際工況的差別，不是ＡＳＰＥＮ軟件本身的問題，而是實際工況的變化所致。如果生產裝置允許將換熱器副線開度調整至與初期一致，則該計算方法將相當準確。

          
           
    ３　結　論   
    （１）采用ＭＡＴＬＡＢ軟件建立的垢阻計算方法，計算結果可信。運行３年后換熱器總垢阻為１．２０×１０－３（ｍ２·Ｋ）?Ｗ。
    （２）將垢阻計算結果用于指導工業生產，阻垢劑加注濃度由１００ｇgμ/ｇ下調至２５～３５ｇgμ/ｇ，單周期節約阻垢劑成本約１１５９萬元。
    （３）在實際工況還原為與初期工況完全一致的前提下，采用ＡＳＰＥＮ軟件建立的垢阻計算方法具有嚴格的準確性。
參考文獻
［１］姚立松，穆海濤，戴天林，等．加氫裂化裝置高壓換熱器垢阻計算與應用［Ｊ］．石油煉制與化工，２０１０，４１（１２）：２４－２７
［２］屈一新．化工過程數值模擬及軟件［Ｍ］．北京：化學工業出版社，２００６：１８－２１