于曉玲

（中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137）

1 原料換熱器介紹

某煉油廠S Zorb裝置投入生產(chǎn)以來，原料換熱器采用兩組并聯(lián)、一組三臺的方式來回收反應(yīng)熱能，原料汽油換熱后進(jìn)入加熱爐加熱去反應(yīng)器。流程如圖1所示。其中A組ABC換熱器與D組DEF換熱器一一對應(yīng)。在生產(chǎn)過程中由于汽油中夾帶的重組份沉積，原料換熱管束容易結(jié)焦[1]。換熱器結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)會存在以下不良影響：（1）原料處理量受限，管內(nèi)壁結(jié)焦，流量增大；（2）原料換熱器偏流加劇，管程結(jié)垢嚴(yán)重，封頭出現(xiàn)泄漏；（3）加熱爐負(fù)荷上升，瓦斯消耗高，能耗大。因此該文分析裝置各周期歷史數(shù)據(jù)，比較兩組并聯(lián)換熱器的換熱效果、結(jié)焦、偏流情況。

圖1 原料換熱器E101流程

2 理論計(jì)算依據(jù)

原料換熱器E101以ABC為一組、DEF為一組；A/D、B/E、C/F型號相同，兩組并聯(lián)形式物料組成相同，均為汽油和氫氣混合物。故通過計(jì)算對比兩組傳熱效果和流量情況，可避免因估算與環(huán)境傳熱造成的熱量損失、物料比熱容、相變等偏差，以實(shí)際生產(chǎn)為主進(jìn)行換熱器理想換熱計(jì)算。

（1）流量比值

根據(jù)兩股物料相同且無相變Q＝q×H，故熱量和為混合后總熱量，根據(jù)溫度變化計(jì)算換熱器兩組質(zhì)量流量之比即為并聯(lián)換熱器偏流情況，具體表達(dá)如式（1）所示：

其中，q表示質(zhì)量流量，kg/h；H表示熱焓值，kJ/kg；A表示換熱器A組，D表示換熱器D組。

（2）管殼程換熱量

由于換熱過程油品存在相變，根據(jù)焓值計(jì)算熱量Q＝qoil×ΔH＋qH2×Cp×Δt，且殼程兩組流量比值為計(jì)算兩組換熱量比值Xh（/1＋Xh）×Qh；同理，管程計(jì)算其中，h表示熱流，為殼程產(chǎn)品汽油，c表示冷流，為管程原料汽油，out表示出口總管，X表示流量比值。

（3）傳熱系數(shù)

根據(jù)單組換熱器的換熱量Q＝K×A×Δtm，計(jì)算該組換熱器傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)越大表示該組換熱器換熱效果好、阻力小、結(jié)焦少。其中，K表示傳熱系數(shù)，W/m2·℃；A表示傳熱面積，m2；Δtm表示傳熱溫差，℃；具體表達(dá)如式（2）所示：

因此A組傳熱系數(shù)具體表達(dá)如式（3）所示：

3 換熱器結(jié)焦及偏流情況分析

對原料換熱器E101從2014年至2018年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將2014年換熱器檢修管束抽芯清洗后投用作為第一分析周期，該周期運(yùn)行后期對換熱器清洗前后數(shù)據(jù)作為一周期后期和第二周期初期，以此類推。進(jìn)料量相同管程出口溫升越高說明換熱器越清潔，管束清洗效果較好。原料換熱器管殼程各周期數(shù)據(jù)見表1，原料換熱器管殼程各周期傳熱分析見表2。

表2 原料換熱器管殼程各周期傳熱分析

根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)，由2014年11月至2018年12月三次運(yùn)行周期的數(shù)據(jù)繪制管程總管換熱溫升的變化趨勢詳見圖2，每個(gè)周期初始時(shí)管程溫升明顯高于運(yùn)行末期，主要通過管束清焦減少換熱期間熱垢換熱損失，提高換熱效果。但隨著多個(gè)周期總體運(yùn)行時(shí)間的增加，換熱效果整體呈現(xiàn)下降趨勢，表明難于清洗的膠質(zhì)逐漸累積在管束中難于清除，造成每次抽芯清洗后換熱效果雖提升但幅度較小，換熱效果整體下降。

圖2 2014年-2018年管程總管換熱溫升變化趨勢

表1 原料換熱器管殼程各周期數(shù)據(jù)

分析并聯(lián)兩組換熱器的管殼程進(jìn)出口溫度，發(fā)現(xiàn)2014年一周期初始，管程溫升較高達(dá)305.3 ℃，且根據(jù)圖3所示并聯(lián)兩組換熱器傳熱系數(shù)的變化趨勢，換熱器兩組傳熱系數(shù)近似為1時(shí)說明換熱器抽芯清洗后換熱效果較好，兩組換熱效果一致，無明顯偏流現(xiàn)象。運(yùn)行27個(gè)月至一周期末期，換熱效果變差出口溫升下降3.5 ℃，管程原料汽油取熱量降低。分析單組換熱器運(yùn)行情況，A組換熱器管程出口溫度上升，計(jì)算發(fā)現(xiàn)A組管程流量較D組小，取熱量小，傳熱系數(shù)小，說明A組熱阻較高換熱效果變差，結(jié)焦造成明顯偏流，管程出口溫度增加并不是換熱效果好而是結(jié)焦偏流綜合造成，這與結(jié)焦導(dǎo)致管束阻力增加、壓降增加、流量下降的規(guī)律一致[2]。

圖3 并聯(lián)兩組換熱器傳熱系數(shù)變化趨勢

第二周期初期，E-101E/F更新，整體換熱效果明顯提高，但是A組未洗下的膠質(zhì)殘留較D組結(jié)焦情況多，內(nèi)部流動阻力差異大，產(chǎn)生了管程汽油明顯偏流，造成A組流量下降，A組傳熱系數(shù)小于D組，因此管程出口溫升僅提升至307.4 ℃。運(yùn)行近一年后，管程總?cè)崃俊⒊隹跍厣皞鳠嵯禂?shù)均下降較多，表明換熱器E101整體的換熱效果顯著下降，結(jié)焦較上周期嚴(yán)重。兩組換熱器對比，A組換熱器傳熱系數(shù)、管程流量、熱量均小于D組，A組結(jié)焦嚴(yán)重且管程流量偏小、出口溫度偏高。分析當(dāng)初期流量相差較大時(shí)，D組管程流量大因攜帶重組分較多結(jié)焦較快，流量因結(jié)焦再分布但A組流量仍較小，到運(yùn)行后期A組因流量流速較低導(dǎo)致進(jìn)料中膠質(zhì)等重組分快速沉積成為主要影響因素，A組管程出口溫度較高兩組溫差達(dá)20 ℃。因此，本周期運(yùn)行期間兩組偏流情況持續(xù)存在，導(dǎo)致了兩組在運(yùn)行過程中均較快結(jié)焦，導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降較快，運(yùn)行周期僅12個(gè)月管程出口溫升下降了11.9 ℃。

第三周期初裝置抽芯高壓水槍清洗管束，投用后管程溫升僅提高4.2 ℃，換熱效果提升但未達(dá)上周期初始值，表明結(jié)焦難于清洗仍殘存在管束中影響換熱，同時(shí)發(fā)現(xiàn)A組阻力較大，偏流嚴(yán)重，導(dǎo)致?lián)Q熱器管程出口溫升快速下降，僅3個(gè)月管程出口溫升下降10.8 ℃，換熱效果下降較快，運(yùn)行周期進(jìn)一步縮短，數(shù)據(jù)定為三周期中期。裝置立即采取措施，E-101ABC殼程閥門卡2/3，降低A組殼程流量，減少偏流的不良影響，溫升提高，換熱效果提升，維持運(yùn)行至2018年末抽芯清洗。

總結(jié)規(guī)律，管程溫升較高說明換熱器抽芯清洗后換熱效果較好，但由于膠質(zhì)隨時(shí)間增加更難于清洗，換熱效果整體呈下降趨勢。運(yùn)行后期A組管程結(jié)焦較D組嚴(yán)重，表現(xiàn)出流量降低，出口溫度較高，取熱量下降。表明換熱器偏流嚴(yán)重，流量降低導(dǎo)致流速降低，造成重組分沉積，進(jìn)一步增加了管束結(jié)焦，結(jié)焦繼續(xù)造成偏流加重，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致?lián)Q熱效果快速下降，運(yùn)行周期縮短。

4 近期生產(chǎn)現(xiàn)狀問題分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算判斷出換熱器結(jié)焦偏流的作用規(guī)律，以該方法反過來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題。因此利用上述計(jì)算方法和規(guī)律對目前生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探尋兩組換熱器的結(jié)焦情況。

由于換熱器清洗后管殼程清潔度較好，兩組比較得管程和殼程出口溫差均明顯降低，溫差僅6 ℃則不能忽略儀表測量誤差所造成的熱量計(jì)算誤差。故根據(jù)單組投用時(shí)出口溫度進(jìn)行校正，如下表3所示，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示殼程出口與換熱器總管出口差距小，而管程出口溫度相較于出口總管溫度低約1.8 ℃，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

表3 原料換熱器管程溫度校正

4.1 管程偏流情況分析

2018年底換熱器抽芯清洗，由于A組管束結(jié)焦嚴(yán)重，部分管束難于疏通，更換換熱器E101A/C管束，管程溫升達(dá)315.1 ℃，換熱效果明顯提升。通過數(shù)據(jù)分析繪制并聯(lián)兩組換熱器流量、取熱量及傳熱系數(shù)的變化趨勢見圖4、5、6，發(fā)現(xiàn)D組流量高、取熱量高、出口溫度低，A組結(jié)焦較D組高，與上部分總結(jié)的規(guī)律一致，換熱器存在偏流情況。由于2018年底檢修清洗更換了E101A/C管束，E101B管束利舊清洗，且現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)結(jié)焦物質(zhì)較難清洗，推測A組中換熱器E101B仍存在較嚴(yán)重的結(jié)焦，短板效應(yīng)成為造成該組換熱效果差的主要因素。

圖4 并聯(lián)兩組換熱器流量變化趨勢（2018.12.25-2019.12.31）

圖5 并聯(lián)兩組換熱器取熱量變化趨勢（2018.12.25-2019.12.31）

圖6 并聯(lián)兩組換熱器傳熱系數(shù)的變化趨勢（2018.12.25-2019.12.31）

自2019年1月3日起，卡E101D管程入口第二道閥門至剩10圈，降低了D組管程流量，使兩組流量趨于相同。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，由于A組結(jié)焦多、傳熱系數(shù)較小，管程流量逐漸下降，在裝置進(jìn)料處理量為135 t/h時(shí)，偏流越來越嚴(yán)重。當(dāng)處理量下降時(shí)，兩組流量偏差變小，可以看出處理量在120 t/h時(shí)，偏流情況較低，傳熱系數(shù)升高，傳熱效果提升。管內(nèi)壁結(jié)焦，處理量增大，偏流會更嚴(yán)重。

由于偏流導(dǎo)致流量、流速降低，加劇管束內(nèi)壁結(jié)焦/垢，換熱效果下降。本周期裝置采取措施為卡D組管程進(jìn)口流量，降低了偏流造成的影響，在一定程度上減緩了換熱器結(jié)焦。經(jīng)過近一年運(yùn)行，換熱器總管壓降無明顯上升，在0.16 MPa左右。綜合發(fā)現(xiàn)A組流量稍低于D組，與換熱分析規(guī)律一致，但目前偏流程度較小，并聯(lián)換熱器管殼程溫差較小，生產(chǎn)狀況穩(wěn)定。

4.2 相變過程及腐蝕減薄

設(shè)計(jì)E101C/F為相變的主要換熱器，管程進(jìn)料物料70%為氣相，出口100%為氣相。上周期檢修發(fā)現(xiàn)E管束減薄，為“相變活躍區(qū)”，結(jié)焦物質(zhì)分析主要為FeS及焦炭，因此在相變點(diǎn)結(jié)焦造成高溫硫腐蝕減薄。故研究裝置目前換熱器的相變過程，確定管程物料氣化點(diǎn)相應(yīng)為管程結(jié)焦的最嚴(yán)重點(diǎn)。利用手持式測溫儀測量管壁，記錄數(shù)據(jù)見表4，儀表實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)同時(shí)列出，根據(jù)管壁溫度與測量溫度差，估算B、E的管程進(jìn)口溫度分別為171、168.5 ℃。

表4 原料換熱器管程冷流溫度情況

根據(jù)產(chǎn)品采樣餾程數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出管程B/E的進(jìn)口溫度對應(yīng)的蒸發(fā)量B為87.2%，E為85.7%，且出口B/E均達(dá)100%，與設(shè)計(jì)值管程B/E氣相含量進(jìn)口14%，出口70%有較大差別。表明管程物料的汽化點(diǎn)在中間換熱器，與設(shè)計(jì)相比下移，因此干點(diǎn)結(jié)焦主要集中產(chǎn)生在B/E管束中，與檢修時(shí)管束的狀態(tài)一致?；仡櫾撝芷诔跗诟鼡Q了A/C管束，B管束結(jié)焦情況會逐漸增加，成為制約A組換熱效果的關(guān)鍵換熱器，需要加強(qiáng)觀察和監(jiān)控。

5 結(jié)論

S Zorb裝置原料換熱器E101是影響長周期生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，并聯(lián)兩組換熱器生產(chǎn)運(yùn)行過程中溫度、壓降變化均需要關(guān)注。通過對近幾年換熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析得到，換熱器整體結(jié)焦表現(xiàn)為管程溫升下降，處理量相同的情況下，溫升下降越快，結(jié)焦情況越嚴(yán)重。初步分析，管程進(jìn)出口溫差小的一組為結(jié)焦較大、換熱效果較差的換熱器。深入分析發(fā)現(xiàn)，前幾個(gè)周期隨著運(yùn)行時(shí)間的增加單組管束結(jié)焦較另一組管束嚴(yán)重時(shí)流量降低，進(jìn)出口溫差增大，出口溫度較另一組明顯升高，傳熱系數(shù)較小。經(jīng)該周期運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)目前運(yùn)行兩組換熱器仍存在偏流現(xiàn)象，A組結(jié)焦多集中在E101B管束中，運(yùn)行情況穩(wěn)定，處理量降低時(shí)偏流程度降低。汽化點(diǎn)下移至E101B管程中，容易加劇結(jié)焦，因此需要加強(qiáng)監(jiān)控。通過計(jì)算可以很好檢測原料換熱器E101并聯(lián)兩組的結(jié)垢情況，直觀判斷并聯(lián)換熱器的結(jié)焦偏流情況，為檢修提供一些建議參考。