王正方,王 勇

(1.中國石油大學機電工程學院,山東東營 257061;2.山東大學機械工程博士后科研流動站,山東濟南 250061)

灰色決策在常減壓塔頂換熱器改造中的應用

王正方1,2,王 勇1

(1.中國石油大學機電工程學院,山東東營 257061;2.山東大學機械工程博士后科研流動站,山東濟南 250061)

某煉油廠常減壓裝置加工中東進口高硫原油后,塔頂換熱器沖刷腐蝕嚴重,需要進行改造。采用普通管殼式換熱器和螺旋折流板換熱器的結構形式,換熱管采用 20碳鋼加 TH847涂料、20碳鋼滲鋁、316L和雙相鋼,組合起來共有 8種方案;對備選方案的傳熱效率、制造費用、維護費用、安全程度、制造難度等指標進行比較和排序,采用灰色系統(tǒng)理論,進行灰靶決策;考慮材料的耐腐蝕性能,又對各種方案的指標具體量化,進行灰色關聯(lián)決策;對改造目標權重劃分后進行灰色變權決策。結果表明:采用螺旋折流板結構和 20滲鋁換熱管的方案為最佳方案,可以在保證安全的前提下最大限度地發(fā)揮材料的性能;螺旋折流板結構優(yōu)于普通弓形折流板結構,應該采用先進制造技術,降低螺旋折流板換熱器制造難度。

換熱器;材料選擇;灰色決策

某煉油廠常減壓裝置由加工勝利原油改為中東進口高硫原油后,塔頂冷換設備腐蝕明顯加重,運行了一年半的時間后進行了設備大檢修[1-2]。常壓塔頂換熱器工作溫度在 120℃左右,屬于 HCl-H2SH2O型腐蝕[3]。塔頂產(chǎn)品中的活性硫會和設備反應生成一層 FeS保護膜,覆蓋在金屬表面,原油中的氯化物在蒸餾過程中受熱分解與水分形成鹽酸以及油品中環(huán)烷酸會破壞金屬表面形成保護膜,腐蝕產(chǎn)物被沖走,露出金屬基層,使反應持續(xù)進行[4-5]。三頂冷卻器管束用碳鋼和 18-8奧氏體不銹鋼均不理想,碳鋼易腐蝕及堵塞,18-8奧氏體不銹鋼易發(fā)生脆斷,目前有公司正在試用 08Cr2A lMo,并在塔頂冷卻器的管束試用雙相不銹鋼、Ti管、12Cr2A lMoV等新材料,有資料表明滲鋁鋼耐蝕性較好[6-7]。換熱器殼程一般為原油或者含鹽冷卻污水,原油比較黏稠,其中含有的污垢和雜質等會在換熱管表面結垢,降低傳熱效率。螺旋折流板結構與普通管殼式換熱器相比可以提高換熱效率,節(jié)約占地面積,降低流體誘導發(fā)生振動的可能性,大大提高安全性,但是制造難度很大[8-9]。灰色系統(tǒng)理論成功地應用于社會、經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)等不確定系統(tǒng)[10-13],筆者采用灰色決策的方法為塔頂冷換設備改造提供解決方案。

1 方案選擇

表 1 各種改造方案的對比Table1 Contrast of different rebuilding project

2 灰靶決策

灰靶決策實質上是尋找相對優(yōu)化意義下滿意效果所在的區(qū)域,在許多情況下要取得絕對最優(yōu)是不可能的,需要退而求其次,要求有個滿意的方案就可以,根據(jù)需要,可以將灰靶逐步收縮,最后退化為一點,即最優(yōu)效果,與之對應的局勢就是最優(yōu)局勢,相應的對策就是最優(yōu)對策。

如果采用 20碳鋼作換熱管,產(chǎn)品中的 H2S,HCl和水會與金屬反應,堵塞管孔。殼程內的流體中含有的雜質污物會在換熱管表面沉積,降低換熱效率。在 20碳鋼表面涂裝 TH847涂料可以防腐,檢修時將管束抽出,用高壓水沖洗,去掉換熱管表面的污垢,可以提高換熱效率,換熱管基本完好,僅有部分位置涂層破裂,見圖 1。未采取措施的 20碳鋼換熱管表面結垢嚴重,見圖 2。污物沉積在換熱管表面阻塞流體通道,不僅降低換熱效率,還增大殼程壓降,消耗動力。用雙相鋼做換熱管可以抗應力腐蝕,而且傳熱性能好,比較安全,但是價格十分昂貴。由于塔頂產(chǎn)品中含有大量的氯離子,奧氏體不銹鋼換熱管會發(fā)生應力腐蝕破壞。在改造目標下對各方案進行排序,得局勢的效果向量矩陣U。

圖 1 涂裝 TH847的 20碳鋼管束Fig.1 Tube bundle of 20 carbon steel with TH847 coating

靶心距越大說明方案越差,可見采用換熱器螺旋折流板結構,換熱管采用碳鋼滲鋁換熱管方案最優(yōu),其次為螺旋折流板結構加 20碳鋼 +TH847涂料方案。螺旋折流板換熱器雖有各種優(yōu)點,但由于制造難度較大,很多廠家并沒有選用。如果采用普通弓形折流板結構,換熱管宜采用 20碳鋼滲鋁處理。

圖 2 20碳鋼管束表面結垢嚴重Fig.2 20 carbon steel tube bundle surface scaling seriously

3 灰色關聯(lián)決策

灰靶決策僅僅對各項目標進行了簡單排序,沒有考慮價格、制造難度、維護費用等的絕對值大小。根據(jù)某制造廠換熱器生產(chǎn)的實際,將改造方案的效果進行具體的量化,見表 2。

熱器的制造費用是信息型灰數(shù),不同的制造廠勞動力成本、原材料進貨渠道、管理費用都不相同,報價相差很大,但是具體到某一個廠家對具體設備的報價來說,灰數(shù)可以變白。傳熱效率、制造難度和安全性能屬于概念型灰數(shù),是指由于人們的某種觀念和意愿形成的灰數(shù),螺旋折流板的結構形式比弓形折流板要安全,但是安全多少,不同的專家有不同的理解。螺旋折流板的結構形式比弓形折流板的制造難度要大得多,限于制造技術的發(fā)展,長期以來很多制造廠都難以實現(xiàn),難度是無窮大。改造方案中關聯(lián)的灰數(shù)白化采用專家評估的方法進行量化。

表 2 各種方案的量化指標Table 2 Quantitative index of different program

3.1 求各序列的均值像

因為各序列的單位不同,首先進行無量綱化,求各序列的均值像

3.2 找出最優(yōu)效果向量

可以看出,ε96＞ε95＞ε91＞ε92＞ε98＞ε94＞ε97＞ε93。數(shù)值越大,說明改造方案與理想最優(yōu)方案越接近?；疑P聯(lián)決策表明采用螺旋折流板結構和20碳鋼滲鋁換熱管為最佳方案,其次是螺旋折流板結構和 20碳鋼涂 TH847換熱管,再其次是普通換熱器采用 20碳鋼涂 TH847換熱管和 20碳鋼滲鋁換熱管。20碳鋼涂 TH847換熱管與20碳鋼滲鋁換熱管計算得到的結果差不多。

4 灰色變權決策

于是,效果向量的變權矩陣變?yōu)?/p>

可以看出 ,ε ε96＞ε ε95＞ε ε98＞ε ε92＞ε ε91＞ε ε94＞ε ε97＞ε ε93。數(shù)值越大 ,說明改造方案與理想最優(yōu)方案越接近?；疑儥鄾Q策認為采用螺旋折流板結構和 20碳鋼滲鋁換熱管為最佳方案,其次是螺旋折流板結構和 20碳鋼涂 TH847換熱管,再其次是螺旋折流板結構和雙相鋼換熱管、普通換熱器采用20碳鋼滲鋁換熱管和 20碳鋼涂 TH847換熱管。20碳鋼涂 TH847換熱管和 20碳鋼滲鋁換熱管計算得到的結果差不多,但是考慮到涂 TH847后,換熱管傳熱效率會降低,而且如果涂裝不均勻,或者涂層在施工過程中發(fā)生損傷,腐蝕介質將加速損傷處換熱管的破壞,還是不用為好。目前 20碳鋼表面滲鋁技術比較成熟,雖然費用稍微貴一些,但是滲鋁層傳熱效果好,滲鋁層與碳鋼金屬結合緊密,抗硫和 H2S腐蝕的效果好,因此優(yōu)先采用。同樣的換熱管螺旋折流板結構優(yōu)于普通換熱器,但是螺旋折流板結構實現(xiàn)起來比較困難,限制了在生產(chǎn)中的應用。如果螺旋折流板結構制造難度降低,還是有很大的推廣應用空間,洛陽和大慶石化公司都有應用,在實際改造中可以將管束抽出,新制造一臺螺旋折流板結構的管束而殼程不變。

5 結束語

在塔頂換熱器的改造中采用灰色系統(tǒng)理論進行方案的選擇可以減少設備改造中人為因素的影響,決策結果更為科學合理。在傳熱效率越高越好,工程造價越低越好,維護費用越少越好,越安全越好,制造難度越小越好的改造目標下,灰靶決策、灰色關聯(lián)決策和灰色變權決策的結果都表明,采用螺旋折流板結構配合 20碳鋼滲鋁的換熱管是最佳方案。灰色關聯(lián)決策比灰靶決策考慮得更為細致,計算結果更加可靠,但是計算量較大?；疑儥鄾Q策還考慮了用戶在改造方案中對不同目標的重視程度,更加符合工程應用的實際?；疑珱Q策得出的最佳方案是采用螺旋折流板結構和 20碳鋼滲鋁換熱管,鑒于目前螺旋折流板結構制造難度仍然很大的情況,應該采用先進制造技術,降低制造成本,擴大螺旋折流板換熱器的應用范圍。

[1] WANG Zheng-fang,WANG Yong,ZHANG Jian.Grey correlation analysis of corrosion on oil atmospheric distillation equipment[C]//IEEE Computer Society. The Proceeding of the 5th International Conference on Fuzzy System and Knowledge Discovering.LosAlamitos,California,2008.10:13-17.

[2] 王正方,王勇,赫慶坤.基于灰色系統(tǒng)理論的常壓塔頂腐蝕影響因素分析[J].中國石油大學學報:自然科學版,2009,33(5):119-123.

WANG Zheng-fang,WANG Yong,HE Qing-kun.Effect factors analysis of corrosion of oil atmospheric distillation tower based on grey system theory[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2009,33(5):119-123.

[3] 黃靖國,劉小輝.常減壓蒸餾裝置的硫腐蝕問題及對策[J].石油化工腐蝕與防護,2002,19(3):1-5.

HUANG Jing-guo,L IU Xiao-hui.Corrosion of atmospheric-vacuum distillation unit and countermeasures[J].Corrosion&Protection in Petrochemical Industry,2002,19(3):1-5.

[4] WANG Zheng-fang,L IU Shu-ling,Q IHui.Grey correlation analysis of corrosion on the first oil atmospheric distillation equipment[C]//IEEE Computer Society.The Proceeding of 2009WASE InternationalConference on Infor mation Engineering. Los Alamitos, California,2009.7:373-376.

[5] 顧望平,劉小輝.加工進口高硫原油生產(chǎn)裝置腐蝕防護技術[J].石油化工腐蝕與防護,2001,18(4):1-16.

GU Wang-ping,L IU Xiao-hui.Corrosion protection techniques for the process units processing imported high-sulfur crudes[J].Corrosion&Protection in Petrochemical Industry,2001,18(4):1-16.

[6] 胡洋,薛光亭,畢延進.腐蝕監(jiān)測技術在勝利煉油廠的應用[J].化工設備與防腐,2002,5(1):60-62.

HU Yang,XUE Guang-ting,B I Yan-jin.Application of corrosion monitoring technology on shengli oil refinery plant[J].Chemical Equipment&Anticorrosion,2002,5(1):60-62.

[7] 畢延進,虞志華.煉制進口原油常減壓裝置的腐蝕問題[J].石油化工腐蝕與防護,2003,20(1):5-10.

BI Yan-jin,YU Zhi-hua.Corrosion of atmospheric-vacuum distillation unit processing imported crudes[J].Corrosion&Protection in Petrochemical Industry,2003,20(1):5-10.

[8] 王正方,王勇.管殼式螺旋折流板換熱器的發(fā)展與現(xiàn)狀[C]//中國壓力容器學會換熱器委員會.第三屆全國換熱器學術會議論文集.長沙:壓力容器雜志社,2007:11-14.

[9] 王正方,王勇,曲大偉.螺旋折流板換熱器折流板的數(shù)控加工[J].中國石油大學學報:自然科學版,2007,31(4):106-111.

WANG Zheng-fang,WANG Yong,QU Da-wei.Numerical controlled process of baffles on helix-baffled tubular heat exchangers[J].Journal of China University of Petroleum(Edition ofNatural Science),2007,31(4):106-111.

[10] 劉思峰,郭天榜,黨耀國.灰色系統(tǒng)理論及應用 [M].北京:科學出版社,1999.10:174-195.

[11] 高志軍,侯建華,劉玉愛.玉米雜交種的灰色關聯(lián)度分析[J].內蒙古農(nóng)業(yè)大學學報,2007,28(2):29-34.

GAO Zhi-jun,HOU Jian-hua,L IU Yu-ai.Analysis of grey correlation degree on hybrid corn[J].Journal of InnerMongolia Agricultural University(Natural Science Edition),2007,28(2):29-34.

[12] 鄧化凌,王勇,宋云京.某一循環(huán)流化床鍋爐 II級過熱器管材失效分析[J].中國石油大學學報:自然科學版,2006,30(5):84-87.

DENG Hua-ling,WANG Yong,SONG Yun-jing.Failure analysis for second superheat tubes in a circulating fluidized bed boiler[J].Journal of China University of Petroleum(Edition ofNatural Science),2006,30(5):84-87.

[13] 楊德偉,趙小明,張愛艷.灰色關聯(lián)法在集輸站系統(tǒng)效能評價中的應用 [J].中國石油大學學報:自然科學版,2006,30(4):98-101.

YANG De-wei,ZHAO Xiao-ming,ZHANG Ai-yan.Application of grey analysismethod to efficiency evaluation of stations and tank farms in oil and gas gathering and transportation system[J].Journal of China University of Petroleum(Edition ofNatural Science),2006,30(4):98-101.

Application of grey decision to atmospheric-vacuum distillation un it exchangers rebuilding

WANG Zheng-fang1,2,WANG Yong1

(1.College of Electrom echanical Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China;2.M echanical Engineering Station forDoctoral Research in Shandong University,Ji′nan250061,China)

The exchangers on the top of a tmospheric-vacuum distillation towerwere exposed to washing erosion seriouslywhen a refinery processedMiddle-East sour crude oil.The rebuilding schemes are general shell-and-tube heat exchangers and helix-baffled structure,and tubematerials are 20 carbon steelwith TH847 coating,20 carbon steel aluminizing,316L and dual phase steel.Considering heat transfer efficiency,manufacture cost,maintenance cost,safety and manufacture difficulty,grey system theorywas used to do grey target decision.Considering the corrosion resistance of the material,for various programs′specific quantitative indicators,the grey correlation decision was done.Grey target decision,grey correlation decision and grey variable weight decision all show that helix-baffled structure with 20 carbon steel aluminizing tube is the optimum program.Helix-baffled structure is better than general bow-shaped baffle plate structure,and the advanced manufacturing technology should be adopted to lower the fabricating difficulty of helix-baffled heat exchanger.

heat exchanger;materials selection;grey decision

TE 965;TE 985.9

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.06.021

1673-5005(2010)06-0109-05

2010-01-24

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技項目(2005QK112)

王正方 (1971-),男 (漢族),山東淄博人,高級工程師,博士,主要從事化工機械及制造方面的工作。

(編輯 沈玉英)