蔣巍

（北京航天動力研究所)

急冷鍋爐給水流量分配分析

蔣巍*

（北京航天動力研究所)

通過水動力分析、鍋爐給水分配的仿真計(jì)算，研究了熱負(fù)荷均勻情況下各爐管流量分配規(guī)律，得出急冷鍋爐爐管發(fā)生失效的主要原因是由于鍋爐給水分配不均而導(dǎo)致爐管失穩(wěn)，使?fàn)t管與流體的對流換熱工況惡化。分析結(jié)論可為急冷鍋爐的升級改造提供技術(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞急冷鍋爐水動力分析給水分配仿真計(jì)算廢熱鍋爐

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(guān)鍵設(shè)備之一。它的安全穩(wěn)定運(yùn)行對乙烯裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、增加乙烯收率，具有重要意義。

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。拆鍋爐入口盲法蘭發(fā)現(xiàn)，爐管內(nèi)管出現(xiàn)堵塞、嚴(yán)重鼓包、輕度鼓包、彎曲的現(xiàn)象。

本文通過水動力分析、鍋爐給水分配的仿真計(jì)算，得到了熱負(fù)荷均勻情況下各爐管流量分配規(guī)律，以查明急冷鍋爐爐管發(fā)生失效的主要原因，為急冷鍋爐的升級改造提供技術(shù)依據(jù)。

1 水動力分析

急冷鍋爐屬于廢熱鍋爐的一種，用于實(shí)現(xiàn)裂解氣的降溫，防止二次反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)回收利用裂解氣的高溫?zé)崮?，產(chǎn)生的高壓蒸汽作為汽輪機(jī)的動力[1]。急冷鍋爐的結(jié)構(gòu)由集中下降管、供水管、水冷管屏、汽水引出管和鍋筒組成。某急冷鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)采用4根大直徑集中下降管，分別與供水的兩扇水冷管屏組成循環(huán)回路，利用上升管和下降管內(nèi)的流體的密度差作為鍋爐中水循環(huán)的動力，構(gòu)成內(nèi)部自然循環(huán)系統(tǒng)，其內(nèi)部各管的供水量靠水循環(huán)過程中的爐管的熱負(fù)荷自動調(diào)節(jié)。急冷水循環(huán)可以分為4個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，互不相擾。每個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)包括一個(gè)下降管、一個(gè)換熱單元和兩個(gè)上升管。

在自然循環(huán)鍋爐的設(shè)計(jì)過程中，確定受熱面的水動力特性是一項(xiàng)非常重要的工作。由于急冷的水循環(huán)系統(tǒng)屬于自然循環(huán)系統(tǒng)，給各爐管的給水量計(jì)算帶來很大困難，因此，在水循環(huán)計(jì)算中，下降管供水給一扇管屏?xí)r，先按管屏平均受熱情況計(jì)算該循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)流量和壓差，然后再考慮受熱不均的影響，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全校核，以避免不安全的情況出現(xiàn)[2]。

在鍋爐容量大、高度大、管徑又不太大時(shí)，到蒸發(fā)管上部工質(zhì)已大部分蒸發(fā)，若循環(huán)倍率過低（含汽量高），容易出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象。

由圖1～圖3可以看出，在出現(xiàn)異常工況的這一段時(shí)間內(nèi)，各爐管裂解氣的入口溫度（COT）不均勻，有較大的偏差。從20:46至21:30這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，COT是不斷變化的。此時(shí)的水循環(huán)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如果在設(shè)計(jì)時(shí)水循環(huán)未留有足夠的安全余量，就很容易出現(xiàn)水循環(huán)事故。

圖1 20:46 COT溫度分布

圖2 21:00 COT溫度分布

圖3 21:30 COT溫度分布

在并聯(lián)蒸發(fā)管屏中，受熱強(qiáng)的爐管循環(huán)流速會高一些，因?yàn)樽匀谎h(huán)有自補(bǔ)償能力。對于整個(gè)循環(huán)回路，受熱增強(qiáng)時(shí)平均循環(huán)流速也會自動提高。但是自然循環(huán)回路的自補(bǔ)償能力是有限度的，當(dāng)受熱強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，循環(huán)流速不再增大，受熱強(qiáng)度再提高，則循環(huán)流速反而下降。此時(shí)的循環(huán)倍率稱為界限循環(huán)倍率。

如果鍋爐管屏的熱負(fù)荷提高到失去自補(bǔ)償能力值時(shí)，受熱不均勻的管屏中受熱最強(qiáng)的管子循環(huán)流速反而較低，管中質(zhì)量含汽率會很高，在壓力高時(shí)容易出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，使管壁超溫?fù)p壞。若加大下降管、供水管和氣水引出管的截面，循環(huán)流速將提高，失去自補(bǔ)償能力點(diǎn)向高熱負(fù)荷方向移動。對應(yīng)的界限循環(huán)倍率有所提高，使鍋爐水循環(huán)較為安全。

并聯(lián)的蒸發(fā)管屏或管束總是在共同的壓差下運(yùn)行的。當(dāng)管屏中各管受熱不均時(shí)，受熱弱的管中循環(huán)流速會低些。如果受熱不均情況嚴(yán)重到受熱最弱管中循環(huán)流速很低，只能補(bǔ)充該管蒸發(fā)掉的水量，即所產(chǎn)生的蒸汽量時(shí)，這根管內(nèi)的循環(huán)就會出現(xiàn)停滯。

2 單個(gè)換熱單元的流量分配

急冷鍋爐爐管分4組，每組16根，共64根。爐管型式為套管式換熱器，內(nèi)管材質(zhì)為15CrMoG，規(guī)格尺寸為?101.6 mm×10 mm，外管材質(zhì)為SA106GrB，規(guī)格尺寸為?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。

根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)，取一個(gè)急冷單元的8根爐管、入口聯(lián)箱、出口聯(lián)箱和扁圓管作為分析對象，建立幾何模型，如圖4所示。

圖4 急冷單元的幾何模型

計(jì)算區(qū)域采用直角坐標(biāo)系，工況為三維不可壓縮黏性單相流體流動，將流體的物性看作常數(shù)。入口條件采用質(zhì)量入口，出口條件為壓力出口。鍋爐給水的物性參數(shù)按照工藝包中的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

入口聯(lián)箱和扁圓管內(nèi)的速度，如圖5、圖6和圖7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)的爐管的管壁外，水繞管壁有較強(qiáng)的旋流作用，這種周向的旋轉(zhuǎn)速度會影響爐管殼程內(nèi)的水的流動，增大流動阻力，導(dǎo)致這兩根爐管內(nèi)的水流量偏小。

圖5 入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量圖

圖6 入口聯(lián)箱和扁圓管速度矢量局部放大圖

圖7 入口聯(lián)箱和扁圓管速度分布云圖

入口聯(lián)箱和扁圓管內(nèi)的壓力分布如圖8所示，從圖中可以看出扁圓管內(nèi)的壓力分布并不均勻，由于繞流的存在導(dǎo)致兩端的爐管處壓力偏低，中間6根管底部的壓力最高。

圖8 入口聯(lián)箱和扁圓管壓力分布云圖

由圖9可以看出，從整個(gè)換熱單元來看，在入口聯(lián)箱處壓力最高，出口聯(lián)箱處壓力最低。

圖9 整個(gè)8根爐管單元的壓力分布

入口聯(lián)箱和扁圓管湍動能分布如圖10所示，湍動能最大的區(qū)域處在兩端的連接管內(nèi)。中間6根爐管處的湍動能，靠近連接管一側(cè)的湍動能要大于遠(yuǎn)離的一側(cè)。

圖10 入口聯(lián)箱和扁圓管湍動能分布云圖

將各爐管內(nèi)的流量輸出，將不同工況下的各管的流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各管內(nèi)熱負(fù)荷一致的情況下的流量分配規(guī)律。

通過對流量分配計(jì)算結(jié)果的曲線（見圖11～圖13）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在第1根和第8根爐管中流量偏小，設(shè)計(jì)操作工況最小流量為最大流量的69.92%，實(shí)際操作工況最小流量為最大流量的72.84%，異常工況最小流量為最大流量的72.24%；流量第二小的爐管在編號為1的爐管內(nèi)，在設(shè)計(jì)操作工況、實(shí)際操作工況和異常工況下此管內(nèi)的流量分別為流量最大的管內(nèi)的流量的86.61%、87.27%和86.25%。通過對三種工況的各管流量大小的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)中間6根爐管的流量要大于平均的流量，而且各爐管之間的流量偏差很小；最大的流量均在編號為3的爐管內(nèi)。由入口聯(lián)箱和扁圓管的壓力分布和速度分布云圖可以看出，中間的6根爐管均有兩根連接管供水，兩側(cè)的爐管均只有一根連接管供水，在兩側(cè)的爐管周圍有明顯的漩渦繞內(nèi)管流動。兩側(cè)爐管內(nèi)的壓力低，出入口的壓差減小，造成管內(nèi)流量偏低。

上述的流量分配的規(guī)律是在假設(shè)各管熱負(fù)荷一致的情況下分析得到的。而現(xiàn)場給出的COT數(shù)據(jù)顯示，各爐管的溫度存在較大的差別，熱負(fù)荷并不均勻。此時(shí)流量分配中最大流量和最小流量的偏差值會更大，極端條件下最小流量將低于最大流量的60%。

綜合上述大量的模擬分析結(jié)果表明，在同等條件下，處在兩端的爐管流量偏小，設(shè)計(jì)操作工況最小流量為最大流量的69.92%，實(shí)際操作工況最小流量為最大流量的72.84%，異常工況最小流量為最大流量的72.24%，所以這些爐管的熱補(bǔ)償能力相對較弱。

從現(xiàn)場爐管損壞的情況可以看出，未出現(xiàn)損壞的爐管均為每組中流量分配最大的兩根管，此位置保證足夠高的質(zhì)量流速和足夠高的循環(huán)倍率（較低的質(zhì)量含汽率）。而靠近兩端的爐管均出現(xiàn)了損壞，只是由于兩端的爐管流量偏小，尤其當(dāng)各管的熱負(fù)荷不均勻時(shí)，更會加大流量的偏差，極端條件下最小流量將低于最大流量的60%，極容易造成膜態(tài)沸騰的出現(xiàn)，導(dǎo)致爐管超溫過熱。

3結(jié)論

綜上所述，由于急冷鍋爐給水分配不均而導(dǎo)致爐管失穩(wěn)，使大部分爐管與流體的對流換熱工況惡化，這是爐管失效的主要原因之一。本文的分析結(jié)論可為急冷鍋爐的升級改造提供技術(shù)依據(jù)。

表1 不同工況下各管的流量統(tǒng)計(jì)

圖11 設(shè)計(jì)操作工況下的流量分配

圖12 實(shí)際操作工況下的流量分配

圖13 設(shè)計(jì)極限工況下的流量分配

[1] 古大田，方子風(fēng)．廢熱鍋爐［M］．北京:化學(xué)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(xué)出版社，2001．

Feedwater Flow Distribution Analysis of Quench Boiler

Jiang Wei

Through the hydrodynamic analysis and the simulation computation of feedwater distribution of quench boiler,this article studied flow distribution rule of each inner tube in the situation of even heat load and concluded that the main reason for tube failures of quench boiler was uneven distribution of feedwater.The tube buckling caused heat convection deterioration of the inner tubes and fluid.The conclusion could provide technical basis for quench boiler's upgrade.

Quench boiler;Hydrodynamic analysis;Feedwater distribution;Simulation computation;Waste heat boiler

TK 229

*蔣巍，女，1978年生，工程師。北京市，100076。

2011-10-12）