姚立松，穆海濤

（中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島266500）

文獻(xiàn)［1］中介紹了某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器垢阻的計(jì)算原理和計(jì)算方法，并采用MATLAB軟件，計(jì)算了該裝置2臺(tái)高壓換熱器投入運(yùn)行后半周期的垢阻。通過比較，確認(rèn)總垢阻趨勢(shì)與副線實(shí)際開度趨勢(shì)相吻合，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。結(jié)合該計(jì)算結(jié)果，提出了將阻垢劑加注濃度由100μg/g降低至35μg/g，以降低裝置運(yùn)行成本。但是，受裝置運(yùn)行時(shí)間的限制，文獻(xiàn)［1］并未完成對(duì)該高壓換熱器運(yùn)行一個(gè)周期即3年的垢阻跟蹤計(jì)算，因此，無法完全確認(rèn)該阻垢劑加注濃度下調(diào)的長(zhǎng)周期效果。因此，本課題接續(xù)文獻(xiàn)［1］的工作，跟蹤計(jì)算了3年來該裝置高壓換熱器垢阻，以確認(rèn)該加注濃度的有效性。此外，基于ASPEN軟件的換熱器模塊計(jì)算理論，構(gòu)造采用ASPEN軟件計(jì)算換熱器垢阻的方法，探討采用該軟件計(jì)算垢阻的可行性與準(zhǔn)確性。

1 MATLAB軟件計(jì)算垢阻

1.1 計(jì)算結(jié)果

按文獻(xiàn)［1］介紹的計(jì)算原理及方法，對(duì)某煉油廠蠟油加氫裝置高壓換熱器A和B的垢阻分別進(jìn)行跟蹤計(jì)算，數(shù)據(jù)選取范圍為自換熱器投入使用直至第一個(gè)生產(chǎn)周期結(jié)束，共1 100個(gè)生產(chǎn)日，期間每15天取一組數(shù)據(jù)。高壓換熱器A和B的垢阻趨勢(shì)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(fā)生結(jié)垢，運(yùn)轉(zhuǎn)5個(gè)月后垢阻開始上升，并在隨后的三個(gè)月內(nèi)垢阻上升較快。期間垢阻的波動(dòng)幅度較大，主要原因在于裝置生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整較大，反應(yīng)平均溫度調(diào)整幅度較大，高壓換熱器A/B的副線開度調(diào)整較大，由此造成高壓換熱器工況不穩(wěn)定。投產(chǎn)10個(gè)月后，裝置負(fù)荷達(dá)到高位，處理量基本穩(wěn)定，調(diào)整幅度不大，反應(yīng)平均溫度、高壓換熱器副線開度等均變化不大。自此直至該運(yùn)行周期結(jié)束，換熱器垢阻在平緩態(tài)勢(shì)中呈微漲趨勢(shì)。

圖1 高壓換熱器A的垢阻趨勢(shì)

圖2 高壓換熱器B的垢阻趨勢(shì)

從圖2可以看出：高壓換熱器B在開工初期即產(chǎn)生了一定的垢阻，此后9個(gè)月內(nèi)，隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的不斷增加，垢阻增速較快。投產(chǎn)10個(gè)月后直至該運(yùn)行周期結(jié)束，裝置工況趨于穩(wěn)定，調(diào)整幅度不大，垢阻在平緩態(tài)勢(shì)中呈微漲趨勢(shì)。

結(jié)合高壓換熱器A及高壓換熱器B的計(jì)算結(jié)果，運(yùn)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(shè)計(jì)換熱系數(shù)為420.9W/（m2·K），截至第1 010天，實(shí)際總換熱系數(shù)為412.6W/（m2·K），相對(duì)于開工初期的實(shí)際總換熱系數(shù)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?jī)H為設(shè)計(jì)負(fù)荷的84%，而末期處理量達(dá)到了110%。

1.2 結(jié)垢狀況確認(rèn)

2臺(tái)高壓換熱器殼程設(shè)計(jì)有一條總副線，通過調(diào)整該副線開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)垢程度。因此，為進(jìn)一步確認(rèn)高壓換熱器結(jié)垢狀況，給出了2臺(tái)高壓換熱器的總垢阻與副線開度的趨勢(shì)，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(yùn)行周期結(jié)束，換熱器副線開度已由開工初期的40%強(qiáng)降至5%左右。而且，副線開度的變化趨勢(shì)與垢阻變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明垢阻計(jì)算結(jié)果可信。

圖3 高壓換熱器總垢阻與副線開度趨勢(shì)

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(jié)垢。根據(jù)高壓換熱器垢阻計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)阻垢劑加注濃度進(jìn)行了調(diào)整，在確保高壓換熱器結(jié)垢狀況可控的前提下，適當(dāng)降低阻垢劑用量。裝置開工初期，根據(jù)設(shè)計(jì)方要求，加注濃度初步定為100μg/g，此后，根據(jù)高壓換熱器結(jié)垢狀況，逐漸下調(diào)加注濃度，運(yùn)行半年后，該裝置阻垢劑加注濃度降至35μg/g，運(yùn)行2年后，阻垢劑加注濃度降至25μg/ 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(jià)格按2.1萬元/t計(jì)，則該運(yùn)行周期節(jié)省注劑費(fèi)用1 159萬元。而且，從換熱器結(jié)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(yùn)行工況良好，能夠滿足裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行要求。

2 ASPEN軟件計(jì)算垢阻

2.1 計(jì)算原理與方法

ASPEN軟件雖數(shù)據(jù)庫豐富，功能強(qiáng)大，但鑒于換熱器垢阻形成機(jī)理、形成速率的復(fù)雜性與多變性，該軟件暫時(shí)并不具備直接計(jì)算換熱器垢阻的能力。但根據(jù)換熱器熱量衡算、傳熱膜系數(shù)方程及ASPEN軟件的換熱器模塊設(shè)計(jì)理論，可根據(jù)該軟件構(gòu)造出相對(duì)可靠的垢阻計(jì)算方法。

在ASPEN軟件的換熱器嚴(yán)格法核算中，垢阻的數(shù)值是需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為給定的。在給定該值之后，軟件將根據(jù)換熱器幾何尺寸、冷熱物流流量、溫度，計(jì)算出物料物性、總熱負(fù)荷、幾何溫差、總傳熱系數(shù)（包括了給定的垢阻值），最終計(jì)算出實(shí)際需要的換熱面積［2］?；谶@一計(jì)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(shí)際需要的換熱面積將與投用初期一致，因?yàn)榭倐鳠嵯禂?shù)包括了垢阻，只不過初期垢阻為0，末期暫時(shí)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(shù)值仍為0或過小，根據(jù)總傳熱系數(shù)的計(jì)算公式（1）得到的總傳熱系數(shù)Kq偏大，從而使計(jì)算出的所需換熱面積小于初期的換熱面積。通過調(diào)整垢阻數(shù)值達(dá)到換熱面積一致的過程，即可得到末期換熱器垢阻數(shù)值。式中：do為管束外徑，m；di為管束內(nèi)徑，m；αi為管內(nèi)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；αo為管外傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；b為管壁厚度，m；λ為換熱管管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；dm為管束平均直徑，m；R為換熱器總垢阻，m2·K/W。

2.2 兩種軟件計(jì)算垢阻比較

根據(jù)2.1所述原理，構(gòu)造ASPEN軟件計(jì)算換熱器垢阻的方法。采用該方法，在換熱器運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)，找到三組與投用初期相同的換熱器工況，對(duì)三個(gè)工況的換熱器垢阻進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，采用MATLAB軟件對(duì)該三個(gè)工況的垢阻進(jìn)行計(jì)算，并將兩種軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果都證明高壓換熱器已形成一定垢阻，且結(jié)果相接近，都能夠在一定程度上反映出換熱器結(jié)垢程度。但是，兩個(gè)換熱器的三組結(jié)果，均為ASPEN軟件的計(jì)算結(jié)果略小于MATLAB軟件的計(jì)算結(jié)果，具體原因分析如下：鑒于工業(yè)生產(chǎn)裝置的非實(shí)驗(yàn)性，以及換熱器垢阻生成的不可避免性，運(yùn)行后期換熱器副線開度必然要小于投產(chǎn)初期。即在相同的物料流量下，末期換熱器殼程介質(zhì)流量要高于初期，管程可保持一致。這種情況將造成所構(gòu)造的ASPEN軟件計(jì)算方法存在一定程度的偏差。因?yàn)闅こ探橘|(zhì)流量的增加，將造成殼程傳熱膜系數(shù)的增大，從而使得理論傳熱系數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致一小部分實(shí)際產(chǎn)生的垢阻值被抵消，

圖4 換熱器A三種工況垢阻計(jì)算結(jié)果比較■—ASPEN軟件；■—MATLAB軟件。圖5同

圖5 換熱器B三種工況垢阻計(jì)算結(jié)果比較

也就是說，在末期換熱器副線關(guān)小的情形下，采用ASPEN軟件計(jì)算的垢阻值要略小于實(shí)際垢阻值，這一計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況的差別，不是ASPEN軟件本身的問題，而是實(shí)際工況的變化所致。如果生產(chǎn)裝置允許將換熱器副線開度調(diào)整至與初期一致，則該計(jì)算方法將相當(dāng)準(zhǔn)確。

3 結(jié) 論

（1）采用MATLAB軟件建立的垢阻計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果可信。運(yùn)行3年后換熱器總垢阻為1.20×10－3（m2·K）/W。

（2）將垢阻計(jì)算結(jié)果用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)，阻垢劑加注濃度由100μg/g下調(diào)至25～35μg/g，單周期節(jié)約阻垢劑成本約1 159萬元。

（3）在實(shí)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(jì)算方法具有嚴(yán)格的準(zhǔn)確性。

［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(jì)算與應(yīng)用［J］.石油煉制與化工，2010，41（12）：24－27

［2］ 屈一新.化工過程數(shù)值模擬及軟件［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：18－21