王正方,王 勇

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061;2.山東大學(xué)機(jī)械工程博士后科研流動(dòng)站,山東濟(jì)南 250061)

灰色決策在常減壓塔頂換熱器改造中的應(yīng)用

王正方1,2,王 勇1

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061;2.山東大學(xué)機(jī)械工程博士后科研流動(dòng)站,山東濟(jì)南 250061)

某煉油廠常減壓裝置加工中東進(jìn)口高硫原油后,塔頂換熱器沖刷腐蝕嚴(yán)重,需要進(jìn)行改造。采用普通管殼式換熱器和螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)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(lái)共有 8種方案;對(duì)備選方案的傳熱效率、制造費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、安全程度、制造難度等指標(biāo)進(jìn)行比較和排序,采用灰色系統(tǒng)理論,進(jìn)行灰靶決策;考慮材料的耐腐蝕性能,又對(duì)各種方案的指標(biāo)具體量化,進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)決策;對(duì)改造目標(biāo)權(quán)重劃分后進(jìn)行灰色變權(quán)決策。結(jié)果表明:采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)于普通弓形折流板結(jié)構(gòu),應(yīng)該采用先進(jìn)制造技術(shù),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(jìn)口高硫原油后,塔頂冷換設(shè)備腐蝕明顯加重,運(yùn)行了一年半的時(shí)間后進(jìn)行了設(shè)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(huì)和設(shè)備反應(yīng)生成一層 FeS保護(hù)膜,覆蓋在金屬表面,原油中的氯化物在蒸餾過(guò)程中受熱分解與水分形成鹽酸以及油品中環(huán)烷酸會(huì)破壞金屬表面形成保護(hù)膜,腐蝕產(chǎn)物被沖走,露出金屬基層,使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)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(zhì)等會(huì)在換熱管表面結(jié)垢,降低傳熱效率。螺旋折流板結(jié)構(gòu)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(dǎo)發(fā)生振動(dòng)的可能性,大大提高安全性,但是制造難度很大[8-9]?；疑到y(tǒng)理論成功地應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、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(shè)備改造提供解決方案。

1 方案選擇

表 1 各種改造方案的對(duì)比Table1 Contrast of different rebuilding project

2 灰靶決策

灰靶決策實(shí)質(zhì)上是尋找相對(duì)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(duì)最優(yōu)是不可能的,需要退而求其次,要求有個(gè)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(diǎn),即最優(yōu)效果,與之對(duì)應(yīng)的局勢(shì)就是最優(yōu)局勢(shì),相應(yīng)的對(duì)策就是最優(yōu)對(duì)策。

如果采用 20碳鋼作換熱管,產(chǎn)品中的 H2S,HCl和水會(huì)與金屬反應(yīng),堵塞管孔。殼程內(nèi)的流體中含有的雜質(zhì)污物會(huì)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(shí)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(jiàn)圖 1。未采取措施的 20碳鋼換熱管表面結(jié)垢嚴(yán)重,見(jiàn)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(dòng)力。用雙相鋼做換熱管可以抗應(yīng)力腐蝕,而且傳熱性能好,比較安全,但是價(jià)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(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。在改造目標(biāo)下對(duì)各方案進(jìn)行排序,得局勢(shì)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(shuō)明方案越差,可見(jiàn)采用換熱器螺旋折流板結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)加 20碳鋼 +TH847涂料方案。螺旋折流板換熱器雖有各種優(yōu)點(diǎn),但由于制造難度較大,很多廠家并沒(méi)有選用。如果采用普通弓形折流板結(jié)構(gòu),換熱管宜采用 20碳鋼滲鋁處理。

圖 2 20碳鋼管束表面結(jié)垢嚴(yán)重Fig.2 20 carbon steel tube bundle surface scaling seriously

3 灰色關(guān)聯(lián)決策

灰靶決策僅僅對(duì)各項(xiàng)目標(biāo)進(jìn)行了簡(jiǎn)單排序,沒(méi)有考慮價(jià)格、制造難度、維護(hù)費(fèi)用等的絕對(duì)值大小。根據(jù)某制造廠換熱器生產(chǎn)的實(shí)際,將改造方案的效果進(jìn)行具體的量化,見(jiàn)表 2。

熱器的制造費(fèi)用是信息型灰數(shù),不同的制造廠勞動(dòng)力成本、原材料進(jìn)貨渠道、管理費(fèi)用都不相同,報(bào)價(jià)相差很大,但是具體到某一個(gè)廠家對(duì)具體設(shè)備的報(bào)價(jià)來(lái)說(shuō),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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式比弓形折流板的制造難度要大得多,限于制造技術(shù)的發(fā)展,長(zhǎng)期以來(lái)很多制造廠都難以實(shí)現(xiàn),難度是無(wú)窮大。改造方案中關(guān)聯(lián)的灰數(shù)白化采用專家評(píng)估的方法進(jìn)行量化。

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

3.1 求各序列的均值像

因?yàn)楦餍蛄械膯挝徊煌?首先進(jìn)行無(wú)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(shuō)明改造方案與理想最優(yōu)方案越接近。灰色關(guān)聯(lián)決策表明采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)和20碳鋼滲鋁換熱管為最佳方案,其次是螺旋折流板結(jié)構(gòu)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(jì)算得到的結(jié)果差不多。

4 灰色變權(quán)決策

于是,效果向量的變權(quán)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(shuō)明改造方案與理想最優(yōu)方案越接近?；疑儥?quán)決策認(rèn)為采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)和 20碳鋼滲鋁換熱管為最佳方案,其次是螺旋折流板結(jié)構(gòu)和 20碳鋼涂 TH847換熱管,再其次是螺旋折流板結(jié)構(gòu)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(jì)算得到的結(jié)果差不多,但是考慮到涂 TH847后,換熱管傳熱效率會(huì)降低,而且如果涂裝不均勻,或者涂層在施工過(guò)程中發(fā)生損傷,腐蝕介質(zhì)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(shù)比較成熟,雖然費(fèi)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(jié)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(jié)構(gòu)優(yōu)于普通換熱器,但是螺旋折流板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難,限制了在生產(chǎn)中的應(yīng)用。如果螺旋折流板結(jié)構(gòu)制造難度降低,還是有很大的推廣應(yīng)用空間,洛陽(yáng)和大慶石化公司都有應(yīng)用,在實(shí)際改造中可以將管束抽出,新制造一臺(tái)螺旋折流板結(jié)構(gòu)的管束而殼程不變。

5 結(jié)束語(yǔ)

在塔頂換熱器的改造中采用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行方案的選擇可以減少設(shè)備改造中人為因素的影響,決策結(jié)果更為科學(xué)合理。在傳熱效率越高越好,工程造價(jià)越低越好,維護(hù)費(fèi)用越少越好,越安全越好,制造難度越小越好的改造目標(biāo)下,灰靶決策、灰色關(guān)聯(lián)決策和灰色變權(quán)決策的結(jié)果都表明,采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)配合 20碳鋼滲鋁的換熱管是最佳方案。灰色關(guān)聯(lián)決策比灰靶決策考慮得更為細(xì)致,計(jì)算結(jié)果更加可靠,但是計(jì)算量較大。灰色變權(quán)決策還考慮了用戶在改造方案中對(duì)不同目標(biāo)的重視程度,更加符合工程應(yīng)用的實(shí)際。灰色決策得出的最佳方案是采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)和 20碳鋼滲鋁換熱管,鑒于目前螺旋折流板結(jié)構(gòu)制造難度仍然很大的情況,應(yīng)該采用先進(jìn)制造技術(shù),降低制造成本,擴(kuò)大螺旋折流板換熱器的應(yīng)用范圍。

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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(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技項(xiàng)目(2005QK112)

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

(編輯 沈玉英)