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        急冷鍋爐入口聯(lián)箱與扁圓管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

        2013-10-15 08:11:08
        化工裝備技術(shù) 2013年2期
        關鍵詞:爐管管內(nèi)入口

        蔣 巍

        (北京航天動力研究所)

        徐慧敏

        (大慶石化工程有限公司)

        孫圣迪

        (黑龍江工程學院機電工程學院)

        0 引言

        急冷鍋爐是指利用乙烯裂解過程中的余熱以產(chǎn)生蒸汽的鍋爐,是乙烯生產(chǎn)的關鍵設備之一。它的安全穩(wěn)定運行對乙烯裝置的穩(wěn)定運行、增加乙烯收率,具有重要意義[1]。某化工廠乙烯裝置裂解爐的急冷鍋爐在一次投料過程中,發(fā)現(xiàn)爐管出口處泄漏、著火。退料處理后,重新投料,發(fā)現(xiàn)爐管流通不暢。拆鍋爐入口盲法蘭后發(fā)現(xiàn),爐管內(nèi)管出現(xiàn)堵塞、嚴重鼓包、輕度鼓包、彎曲的現(xiàn)象。本文通過對原結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬得到了熱負荷均勻情況下各爐管流量分配規(guī)律[2]。根據(jù)流量分配的規(guī)律擬定了六種改進方案。通過對六種方案爐管內(nèi)的流量分配進行分析,得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)(最優(yōu)方案),并對其速度場、壓力場進行數(shù)值模擬分析,驗證優(yōu)選結(jié)構(gòu)的正確性。

        1 原結(jié)構(gòu)的模擬分析

        急冷鍋爐爐管分4組,每組16根,共64根。爐管型式為雙套管式,內(nèi)管材質(zhì)15CrMoG,尺寸為覫101.6 mm×10 mm,外管材質(zhì)SA106GrB,尺寸為159 mm×14 mm,每組換熱面積為80.2 m2,管程介質(zhì)為裂解氣,殼程介質(zhì)為鍋爐給水。

        入口聯(lián)箱和扁圓管內(nèi)的速度分布如圖1、圖2和圖3所示。由圖可以看出,聯(lián)箱的端部流速很小,可以看作流動死區(qū)。中間5根連接管內(nèi)的流速要大于兩側(cè)的連接管內(nèi)的流速。扁圓管空間內(nèi),在中間6根管的外側(cè)空間靠近連接管的一側(cè)有一對對稱的漩渦,底部的流體繞管壁規(guī)則地流動。在兩側(cè)的爐管管壁外流水繞管壁有較強的旋流作用,這種周向的旋流作用會影響爐管殼程內(nèi)水的流動,增大流動阻力,導致這兩根爐管內(nèi)的水流量偏小。

        圖1 入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量圖

        圖2 入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量局部放大圖

        圖3 入口聯(lián)箱和扁圓管速度分布云圖

        從圖4可以看出扁圓管內(nèi)的壓力分布并不均勻,由于繞流的存在導致兩端的爐管處的壓力偏低,中間6根管底部的壓力最高。

        圖4 入口聯(lián)箱和扁圓管內(nèi)的壓力分布圖

        由這些數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),各爐管內(nèi)的流量分配不均,存在較大的偏差。兩端的爐管流量最小,容易導致傳熱惡化,造成內(nèi)管超溫。

        2 改進方案及分析

        為使各爐管流量分配均勻,減小最大流量和最小流量的偏差,本文在保證設計操作、實際操作和異常工況時各爐管的平均流量不變 (分別為2.507 kg/s、1.920 kg/s、1.609 kg/s)的原則下,在原結(jié)構(gòu)的基礎上在扁圓管的兩端各增加一根輔助連接管。各管的間距不變,輔助連接管到最近的連接管距離為202 mm,輔助連接管的直徑不同。根據(jù)輔助連接管的直徑和布置的不同,擬定了六種改進方案(見表1)。改進方案的入口聯(lián)箱和扁圓管結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        表1 備選的六種改進方案 (單位:mm)

        圖5 入口聯(lián)箱和扁圓管結(jié)構(gòu)

        針對六種改進方案的輔助連接管的布置,分別對設計操作、實際操作和異常工況下爐管內(nèi)的流量分配進行數(shù)值模擬[3],得到改進之后各爐管內(nèi)的流量分配。從靠近到遠離聯(lián)箱入口的方向上,爐管編號依次為1~8。對各爐管的流量輸出進行統(tǒng)計如表2~表7所示。

        從表2可以看出,方案一在設計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的91.81%、92.12%和92.35%,偏差趨勢依然是兩側(cè)爐管流量偏小。

        表2 方案一不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 (單位:kg/s)

        表3 方案二不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 (單位:kg/s)

        表4 方案三不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 (單位:kg/s)

        表5 方案四不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 (單位:kg/s)

        表6 方案五不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 (單位:kg/s)

        表7 方案六不同工況下各爐管流量統(tǒng)計 (單位:kg/s)

        從表3可以看出,方案二在設計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的96.09%、96.20%和96.31%,偏差趨勢是第1~4根爐管流量偏大,第5~8根爐管流量偏小。

        從表4可以看出,方案三在設計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的94.03%、94.27%和94.41%,偏差趨勢是第1根爐管流量偏小。

        從表5可以看出,方案四在設計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的96.60%、96.76%和96.90%,偏差趨勢是第1根爐管流量略微偏小。

        從表6可以看出,方案五在設計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的98.23%、98.30%和98.33%,各爐管的流量偏差很小。

        從表7可以看出,方案六在設計操作、實際操作和異常工況下最小流量分別為最大流量的97.95%、98.08%和98.10%,各爐管的流量偏差很小。

        3 改進方案的優(yōu)選

        以減小爐管內(nèi)流量偏差為目的,對提出的改進結(jié)構(gòu)進行優(yōu)選。在設計操作工況下原結(jié)構(gòu)與各改進方案的流量分布曲線如圖6所示。可以看出,各改進方案爐管的流量分布均優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。其中,方案五和方案六各爐管的流量分布都比較均勻。

        圖6 各改進方案流量分布曲線

        對原結(jié)構(gòu)和改進方案不同工況下,爐管最小流量與最大流量的比值 (百分比)進行了統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果如表8所示。通過比較可知,方案五的流量偏差最小,方案六的流量偏差第二小。方案五為最優(yōu)方案。為了驗證這一結(jié)論的正確性,對方案五進行數(shù)值模擬,有關的壓力分布圖和速度分布圖如圖7~圖10所示。

        表8 不同結(jié)構(gòu)最小流量占最大流量百分比 (%)

        圖7 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管壓力分布

        通過圖1~圖4與圖7~圖10綜合比較分析可以看出,經(jīng)過方案五的改進后,在扁圓管空間內(nèi)壓力和速度分布比原結(jié)構(gòu)均勻,方案五的改進方案最優(yōu)。這一方案就是在靠近聯(lián)箱入口的一端增加內(nèi)徑為50 mm的輔助連接管,在遠離聯(lián)箱入口的一端增加內(nèi)徑為55 mm的輔助連接管。

        圖8 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管速度分布

        圖9 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量圖

        圖10 方案五入口聯(lián)箱和扁圓管局部放大速度矢量圖

        4 結(jié)論

        經(jīng)過數(shù)值模擬分析得出結(jié)論,給水聯(lián)箱布局不合理造成了爐管給水分配不均勻和各爐管的熱負荷不均勻,即造成了爐管流量偏差較大,并導致兩側(cè)爐管出現(xiàn)傳熱惡化,發(fā)生爐管超溫堵塞現(xiàn)象。因此,為了避免爐管給水分配不均,應優(yōu)化給水聯(lián)箱結(jié)構(gòu)布局,在靠近聯(lián)箱入口端和遠離聯(lián)箱入口端增加輔助給水連接管。

        [1] 古大田,方子風.廢熱鍋爐 [M].北京:化學工業(yè)出版社,2002.

        [2] 林·尤·懷特.鍋爐手冊 [M].王錫高譯.北京:科學出版社,2001.

        [3] 王尊策,孔令真,徐艷.急冷鍋爐內(nèi)流場傳熱特性及失效分析 [J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2011,43(增1):131-135.

        [4] 蔣巍.急冷鍋爐給水流量分配分析 [J] .化工裝備技術(shù), 2012, 33 (3): 44-47.

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