EDR在消除換熱器振動中的應用

魏川林（山東濟煉石化工程有限公司，山東 濟南 250100）

1 Exchanger Design and Rating 換熱器計算軟件介紹

Exchanger Design and Rating(以下簡稱EDR)是世界上非常優秀的管殼式換熱器軟件，能夠為用戶提供最優化的管殼式換熱器解決方案。該軟件包中的管殼式換熱器（Shell and Tube Exchanger）部分具有三種計算功能，分別為“計算”（Rating），“模擬”（Simulation）和“設計”（Design）。默認計算類型為“計算模式”。

計算是給定幾何參數的熱交換器，它根據指定的工藝條件確定熱交換器的熱負荷。模擬是針對特定幾何尺寸條件的熱交換器，它計算熱交換器在較少工藝條件下的性能，并最終確定熱交換器可以達到的最大熱負荷。計算和模擬之間的唯一區別是所提供的工藝條件不同。必須為計算模式提供足夠的技術條件，以確定換熱器的熱負荷；針對模擬模式程序計算熱交換器的性能，求出熱交換器能夠達到的最大熱負荷。在設計模式下，如果定義了熱交換器的大多數幾何結構和足夠的工藝條件，則會計算所需的熱負荷。然后，計算缺少的其他幾何尺寸，傳熱系數和壓力降。在此過程中，可以設計殼類型，殼直徑，管長度，擋板間距，擋板類型，管直徑和管中心距離。設計過程是交互式的，可控制每個幾何參數的公差和范圍。一般設計計算時首先選擇Design mode 確定初始最佳方案，然后選擇Rating mode，殼和管直徑，Crosspasses，Spacing，Tubecount，Baffle cut等參數的細節計算和微調以符合設計要求。

2 EDR計算換熱器的振動分析

在管殼式換熱器中，當殼程側流體橫向流經管束時，容易引起管殼進出口管、擋板缺口區和U形彎管附近的管振動或聲振動，可能造成管束磨損和開裂；管束因沖擊擋板孔而被切斷；管和管板疲勞損傷；噪聲污染；殼體阻力增大。由于流體誘導振動具有復雜性而現有技術的局限，目前還沒有準確預測換熱器振動的方法，通常認為，流體誘導振動的主要原因是流體彈性不穩定和卡門旋流。當滿足下面條件之一時，可能會發生管束振動：(1)卡曼旋渦頻率FV與管子最低固有頻率FN之比大于0.5；(2)橫流速度W大于臨界橫流速度WC；(3)卡曼旋渦頻率FV與聲頻FA之比在0.8～1.2。

3 換熱器流道的選擇

管殼式換熱器的管殼程介質的選擇一般原則如下：a）為便于清理，應在管程側走臟的或易結垢的介質（U 型管換熱器除外）。（b）為避免管程和殼程同時受到腐蝕，對于腐蝕性介質宜走管程。C）為減少投資，一般高壓介質走管程，低壓介質走殼程，能降低殼程壁厚。D)對于冷凝工況，需要冷凝的介質宜走殼程，便于冷凝液的排出。E）粘度高的介質宜走殼程，以便提高殼程的喘流強度，提高雷諾數，提高傳熱系數。F）允許壓降的限制，一般殼程壓降較低，對于壓降要求苛刻的介質宜走殼程。

以上原則不是絕對的，往往會出現矛盾的情況，這時候需要綜合判斷，即滿足工藝要求，同時滿足經濟性、可靠性及易于檢修等。

4 換熱器的振動分析

某催化裝置富氣壓縮機級間冷卻器，在裝置提高負荷時，換熱器本體以及相連接的管線振動比較厲害，甚至連帶設備平臺一起振動，但低負荷運行時振動輕微，此設備存在較大的安全隱患。由于裝置不能長時間停工，車間希望通過較小的改造消除振動。經過現場調查，此換熱器是用冷卻水冷卻催化裝置壓縮機排出的富氣，催化裝置富氣主要成分為甲烷、乙烷、丙烷和氫氣等，流量19300Nm3/h，溫度106.5℃。原設計為催化裝置富氣走殼程，循環水走管程，殼體內徑900mm，管束長度6000mm，6 管程，單殼程BES 型換熱器，管程出入口管徑DN150，殼程出入口管徑DN300。此設備在上一個運行周期并未出現明顯的振動情況，由于這個周期裝置加工原料的變化，富氣量比原設計有較大的提高，負荷增加，因此初步判斷可能是超負荷引起的換熱器振動。

為進一步確認問題所在并消除振動，筆者從車間獲取了實際工藝數據及設備參數，采用EDR對此換熱器進行分析。首先用流程模擬軟件進行工藝計算，盡量擬合實際的工藝運行數據，經過多次調試合格后，將模擬結果導入EDR 軟件中進行換熱器的詳細計算。在此需要提醒一下，有時候導入EDR后可能會出現導入的熱負荷和模擬計算的不一致且誤差太大，此時需要進一步核對并修正熱力學數據，以保證熱力學數據的正確性，否則后面的計算結果就不可靠了。

根據以上步驟對換熱器的計算結果是：此設備最大橫流流速W 為26.33m/s；總傳熱系數K 為325 W/(m2.K)；實際換熱面積是所需換熱面積的2.15倍，此換熱器換熱能力滿足要求。進一步分析換熱器的振動時，由于W/Wc,Fv/Fn,Fv/Fa 超出允許范圍,EDR 提示可能有振動發生，并將超限的項用“*”提示，見下表所示。出現振動的原因之一是催化裝置富氣走殼程時橫流流速(26.33m/s)大大超過臨界橫流流速，同時也提高了卡曼旋渦頻率。

為消除換熱器的振動，一般來說大部分時候可以調整流速、折流板間距等，其次也可以對換熱器的其他結構尺寸及型式進行調整，比如布管角度、換熱管尺寸、折流板缺口面積、弓形區不部管、調整為折流桿等。本項目為降低投資及縮短改造工期，如果調整為折流桿換熱管束顯然投資太大，擴大換熱器的直徑也不經濟，期望通過較小的改造解決振動問題。多次調整發現富氣走殼程均不能通過以上手段消除振動。當調整流體的流動通道顛倒管殼程介質，讓催化裝置富氣走管程，循環水走殼程，同時調整為單管程，其他不做調整，計算結果換熱面積富余量37%，管殼程壓降不超過工藝允許值，換熱能力滿足要求。進行振動分析時，EDR提示殼程入口Fv/Fn超限，推測可能發生管束會產生振動，但其他參數均未提示報警，為了完全消除振動的可能，把換熱器殼程循環水管徑出入口從DN150調整為DN200，經EDR 重新計算所有振動報警均消失，所有參數均在允許范圍內，如下表所示：

因此，為避免管束振動，級間冷卻器應采用催化裝置富氣走管程、冷卻水走殼程。推薦的改造方案為：換熱器殼程管口調整為DN200，管箱改為單管程，相應調整配管走向，此改造滿足工藝要求，工作量較小，滿足了改造工期要求，投資也較低。

5 結語

管殼式換熱器的冷熱介質為氣體和液體，且氣體流量較大，為避免管束振動，應選擇流速大的氣相介質走管程，同時換熱器開口管徑尺寸對振動的影響也不能忽略。利用EDR 軟件對級間冷卻器經過重新計算，改造后在實際運行中，消除了振動現象，冷卻效果良好。