湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算

湿式部分
热阻/
散热裕量/
m2 # K # W- 1 0. 002 543 17
kW 102. 447
0. 002 475 53
666. 870
0. 001 800 37
269. 810
0. 002 423 73
847. 090
阻力损失
管外/
管内/
kP a 0. 96
kP a 41. 39
1. 53
34. 34
算和可行性评价。
1 丘东采油厂湿式空冷器优化方案
目前, 有 25 台湿式空冷器( 表面蒸发型和增湿 型两种) 在吐哈油田使用, 主要分布在温米厂区、丘 东厂区以及吐鲁番厂区。其中丘东厂区湿式空冷器 的腐蚀情况最为严重, 4 套表面蒸发式空冷器( 丙烷 空冷器、凝析油脱丁烷塔顶空冷器、天然气脱丁烷塔 表面蒸发式空冷器、混烃脱戊烷塔空冷器) 投入使用 不到 4 a, 由于严重的腐蚀问题而面临报废。
规格
ª25mm @ 2mm DR 57 片间距 2. 3
3 计算机辅助热力校核
及传热系数[ 5] , 其传热能力也有较大的提高。丘东 采油厂各新型干湿联合空冷器散热能力的校核结果
通过 M AT L AB 来实现空冷器热力计算, 依照 见表 2。从表 2 中可以看出, ¹ 干式部分的散热能
上述设计思路开发了干湿联合空冷器散热能力计算 力明显加强, 可以达到吐哈油田丘东采油厂对设备
2. 3 计算结果
丘东采油厂混烃脱戊烷塔顶空冷器设计参数: 产量 WL = 31 t/ h, 热流量 5= 1 515. 6 kW, 设计压 力 pc= 2. 0 M Pa, 风 量 W air = 1081 0 t / h, 喷 水量 W water = 2 t/ h, 喷水温度 tc= 20 e 。丘东采油厂混 烃脱戊烷塔顶空冷器( 新型干湿联合空冷器) 的设计 结果见表 1。
( 2) 确定光管传热面积 A gc 需要做出湿式部 分散热裕量 $Q g 与光 管基面面 积 A g 的曲 线关系 图, 从而得出 $Q g > 0 时的光管传热面积 A gc。为保 证在一些特殊情况下散热器能够满足管内工艺流体
的散热, 空冷器需留有足够的散热裕量, 选择光管基 面面积 A g 时取值要稍 大于 A gc, 设计中选取 A g U 1. 2 A gc。
第 40 卷 第 4 期 2011 年 7 月
石油化工设备 P ET RO- CH EM ICAL EQ U IPM EN T
*
文章编号: 1000- 7466( 2011) 04- 0039- 03
Vo l1 40 N o1 4 July 2011
湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算
毛新章1, 王建江2 , 熊 磊1 , 于 超3 , 袁树礼3
( 3) 风机选择 计算出风机全风压为2. 46 kP a, 选择国产 F 型风机。针对丘东采油厂混烃脱戊烷 塔顶空冷器的情况, 提出两套方 案: ¹ 如不考虑功 耗, 建议选用叶轮直径为 3. 6 m、转速为318 r/ min、 叶片角为 11b的风机, 效率 最高。 º 如 结合场地的 空间、成 本 和 功 耗 考 虑, 建 议 选 用 叶 轮 直 径 为 3. 0 m 、转 速 为 382 r/ min、叶片 角 为 13b、功率 为 30 kW的风机。
区水质较差, 盐碱含量较高, 加之风沙较大, 导致空 冷器结垢的腐蚀严重[ 8] , 每次检修均需要进行清洗, 从而增加了设备腐蚀速度、资金投入, 降低了设备使 用寿命。
针对上述问题, 文中对吐哈油田现有湿式空冷 器的运行状况和相关数据进行校核与分析, 在此基 础之上进行了优化设计并完成了设计方案的相关计
针对丘东采油厂表面蒸发式空冷器的实际应用 状况, 采取新型干湿联合空冷器是一个比较理想的
* 收稿日期: 2010- 02- 20 作者简介: 毛新章( 1971- ) , 男, 新疆吐鲁 番人, 工程师, 学士, 主要从事化学工程及设备管理工作。
# 40 #
石油化工设备
2011 年 第 40 卷
方案[ 9] , 工艺流程如下: 流体先进入干式空冷管束进 行冷凝和冷却, 然后进入被直接喷淋的湿式空冷管 束进行冷却, 携带水雾的空气先进入湿式空冷管束 进行( 出口温度往往低于环境气温) 冷却, 再进入干 式空冷管束, 风机置于干式和湿式管束之间[ 10] 。
MAO Xin- zhang1 , WANG Jian- jiang2 , XIONG Lei3 , YU Chao3 , YUAN Shu- li3 ( 1. M echanical Equipments M anag em ent , T uha Oilfield, Shanshan 838202, China; 2. Qiudong
( 4) 确定翅片管传热系数 K c 此时需要核实 K c 是否与估算的传热系数接近。如小于估计值, 则 需重新估算。经计算, 干式翅片管的传热系数 K c = 0. 6 W/ ( m2 # K ) 满足 设计 需 求, 可 以采 用 上述 设计。
2. 2 湿式部分设计
湿式空冷器换热管采用光管。为保证结构上的
8. 42
515. 34
2. 26
39. 45
4 结语
丘东采油厂湿式空冷器最大的问题不是散热问 题, 而是散热负荷分配比例不合适, 导致散热主要集 中于湿式空冷部分, 致使大量水蒸气形成, 进而造成 设备腐蚀, 设备寿命明显缩短。
通过文中优化设计方案和校核计算可以知道: ¹ 通过设计可以加强干式部分的散热能力, 降低湿 式部分的散热能力, 降低腐蚀程度。 º 该联合空冷 器采用干、湿冷管束组合布置, 构架、平台均可统一 考虑, 可以节约钢材, 降低成本。 » 新型方案采用同 一组风机提供风量, 能够有效地提高风机的效率, 减 少能耗。
在满足散热能力的前提下, 提出增加干式空冷 器散热组散热面积、高翅片散热管以及改变送风装 置的改进方案。
2 优化设计[ 11~ 18]
以丘东采油厂的 混烃脱戊烷塔 顶空冷器为例 进行优化设 计, 以 干湿联 合空 冷器的 设计作 为优 化方案, 设 计内容 包括其 干式 部分和 湿式部 分的 设计。
图 1 出口温度与传热面积关系曲线图
从图 1 可以 看出, 当 t 2 = 110 e 时, 两直 线相 交, 对应 A c U 94 m2 , A Fc U 9 m2 。选择长 @ 宽 为
3 m @ 3 m 的管束, 其迎 风面积可能略 小于所求的 值。因此, 通过增大风量而提高迎风面的风速来弥 补, 最终确定风机迎面风速 v NF = 2. 5 m / s。
一致, 湿式部分的管束尺寸以及每排管数的取值和 干式部分管束相同。对湿式光管空冷器进行热阻和
传热系数的计算, 包括管外传热和管内传热。 ( 1) 计算湿式部分对数平均温差 确定湿式部
分管内工质的 进出口气温以及管外空 气的设计气
温。本设计中工质进口温度 t 3= 70 e , 工质出口气 温 t 4= 40 e , 空气在干湿空冷器交界处的中间温度 t 0= 50 e 。以设计气温采用/ 保证率每年不超过 5 天的气温0为依据, 根据场边环境气温, 选取干球温 度 t g0 = 42 e , 湿球温度 t s0 = 30 e 。现场测定空气 入口气温 t1 = 45 e , 根据上述数据计算光管部分的 对数平均温差约为 10. 5 e 。
2. 1 干式部分优化设计
以尽可能增大干式部分的传热系数或在场地允 许的范围内增大干式部分的传热面积为目的。
( 1) 翅片管选择 考虑到干式空冷器高翅片比 低翅片的传热效果好, 翅片管采用高翅片。基于管 内工艺流体温度的考虑以及各 种翅片管的耐 温性 能, 翅片管选择 L L 型。
( 2) 估算干式空冷器面积 以空气出口温度 t2 为自变量, 分别以翅片管外表面积 A c 和光 管外表 面积 A c0 为应变量( A c0 = bA Fc , A Fc 为翅片管 的迎风 面积, b 为翅片管的外表面积 A c 与迎风面积 A Fc 的 比值) 。通过做出两个面积与冷空气出口温度的曲 线交点对应的面积来作为估算面积, 这样空冷器干 式部分的温升也可以确定。出口温度与传热面积关 系曲线图见图 1。
应用程序( 共有 9 个子程序) 。
散热能力的要求标准。 º 减少了湿式部分的面积,
Baidu Nhomakorabea
干湿联合空冷器的干式部分设计采用了高翅片 也使工业用水腐蚀设备的现象大为减少。 » 以夏季
管, 与低翅片管相比, 高翅片管有较高的传热面积以 极端气候计算, 能够满足使用要求。
表 2 丘东采油厂空冷器散热能力校核结果
Oil P roduct io n Plant, T uha Oilfield, Qiudong 838202, China; 3. College o f Mechanical and Elect ronic Eng ineer ing, China Universit y of Pet roleum( Beijing) , Beijing 102249, China)
( 1. 吐哈油田 机动设备管理处, 新疆 鄯善 838202; 2. 吐哈油田 丘东采油厂, 新疆 丘东 838202; 3. 中国石油大学( 北京) 机电学院, 北京 102249)
摘要: 湿式空冷器在吐哈油田采油厂轻烃及炼化装置中应用广泛, 但在运行中却存在着锈蚀严重、
使用寿命短的问题, 其中以吐哈油田丘东厂区湿式空冷器的腐蚀情况最为严重。针对这些问题提
第4期
毛新章, 等: 湿式空冷器优化设 计与计算机辅助计算
# 41 #
项目
湿式部分 干式部分
管束
长度/ m 3 3
管束
宽度/ m 3 3
表 1 混烃脱戊烷空冷器管束设计规格
迎风
基面
管排
管程
每排
面积/ m2 面积/m 2
数
8. 8
128
12
8. 72
66
6
数
管数
6
46
1
46
裕量
/ kW 84. 71 177. 65
Abstract: T he w et air condensers are w idely applied in light hydr o- carbo n recovery unit s o f T u-
ha Oilf ield. So me t ypical pr oblem s exist, such as serious corro sion and short ser vice life, especial ly in the Qiudong ref inery . T o reso lve t hese problems, a new dry- w et air cooler as an opt imal design m et hod w as desig ned, t he com put er- aided numerical calculat io ns t hat pr ove t he f easibility and pr act icality are provided.
Key words: w et air condenser; dry- w et air condenser; opt imal designcomput er- aided
湿式空冷器作为干式空冷器的改进和发展, 综 合了空冷和水冷的优点, 在炼化行业得到了越来越 广泛的应用。吐哈油田目前共有 25 台现役湿式空 冷器, 作为有效的冷却设备之一, 这些空冷器在生产 工艺流程中承担着重要作用[ 1~ 7] 。由于吐哈油田地
出了设计新式干湿联合空冷器的优化方案, 并进行了设计计算和基于计算机辅助的热力校核, 经过
验证可以满足现场要求。
关键词: 湿式 空冷器; 干湿联合空冷器; 优化设计; 计算机辅助
中图分类号: T E 965; T Q 050. 2
文献标志码: B
Optimal Design and Computer-aided Calculation of Wet Air Condensers
热交换器名称
丙烷空冷器 凝析油脱丁烷空冷器 天然气脱丁烷空冷器
混烃脱戊烷空冷器
干式部分
热阻/
散热裕量/
m2 # K # W - 1 0. 002 168 91
kW 177. 408
0. 001 858 95
283. 038
0. 001 151 31
422. 830
0. 001 668 11
312. 440