Aspen軟件在氮氫壓縮機三段水冷器工藝優化設計及運行分析中的應用

王雅琪,陳東良,趙斌

(上海電氣集團國控環球工程有限公司,山西 太原 030001)

在現代企業中,各種熱交換設備的數量占工藝設備數量的三分之一以上。其中,管式換熱器是廣泛應用于各個領域的工業設備,在國民經濟中發揮著非常重要的作用。因此,熱交換器的設計對產品質量、能源使用以及系統的經濟性和可靠性,起著非常關鍵的作用[1]。管殼式換熱器應用范圍廣,處理能力大,制造成本低,清洗方便,操作安全可靠,是最先進的熱交換器,具有最高的理論研究水平、最先進的設計技術、最長的標準化歷史和最古老的計算機軟件開發[2],因此,管殼式熱交換器往往是人們的首選。

HTRI和Aspen EDR是中國常用的熱交換器計算軟件。作為熱交換器工藝設計的主要方法,該軟件可用于更符合現實的熱交換器設計。下面將使用Aspen EDR軟件詳細說明水冷器的設計和優化過程。

1 項目背景

某公司的壓縮裝置配備有5臺往復式氮氫壓縮機,原本設計的三段水冷器為立式列管式水冷器,換熱面積為103 m2,水冷器殼程內壁邊緣至水冷器內件之間留有環狀導流分離區,工藝介質氣體(半水煤氣)進入殼程經導流分離后經水冷器內件冷卻后送出,水路采取管程作為流向,進出水口布置方為與氣路進出口同側,2012年因為其一段進口增加了溴化鋰水冷器,壓縮機進口溫度的工況發生變化,單位時間內的氣體質量流量增加,原來三段水冷器受工作狀況變化的因素影響,換熱效果持續不斷地下降,通過對水冷器內部零部件縮短清洗周期、酸洗以及在線反沖洗等方式調控,仍然無法得以解決,為此,在2016年對2臺機組的三段水冷器進行了同比例的放大,換熱效果稍微有些提升,但是水冷器后的溫度持續在50 ℃以上(夏季有時甚至會達到65 ℃以上),三出壓力經常超出指標,實際的換熱效果還不足75 ℃,實際運行數據與設計工藝運行條件(三段水冷器冷卻后氣體出口溫度為≤40 ℃,壓力為≤2.2 MPa)偏差較大,已經嚴重制約了氮氫壓縮機的長周期穩定運行,同時壓縮機組單機電耗偏高,以上種種問題均需得到及時的解決。為此,采用Aspen EDR軟件對水冷器進行工藝化設計和優化分析便應運而生。

2 設計方案的確定

2.1 工藝參數的確定

在工藝設計計算之前,殼體和管式換熱器必須首先確定以下工藝參數:熱負荷(冷或熱流體流)、工作壓力、工作溫度、允許壓降、冷熱流體的入口和出口溫度以及入口和出口組分、入口和出口的污垢系數、入口和出口材料參數、換熱器的允許尺寸等等[3]。換熱器的污垢系數可參考TEMA標準或基于經驗數據確定。通常,熱流體和冷流體的物理參數可以在使用過程模擬軟件(如Aspen Plus)計算后自動輸入[4]。

本文的工藝設計參數如下:壓縮氣流量16 527 kg/h,進口壓力2.3 MPa(A),進口溫度為160 ℃,出口溫度為40 ℃,污垢系數為0.001 72 m2·K/W。循環水壓力為0.3 MPa,進口溫度為28 ℃,出口溫度為36 ℃,污垢系數為0.000 172 m2·K/W。需求方要求水冷器冷卻后氣體出口溫度為≤40 ℃,壓力為≤2.2 MPa,壓差為<0.05 MPa。

2.2 換熱器結構型式的確定及要求

1)水冷器采用立式列管水冷器,利用原水冷器地基(<Φ1 200)進行安裝,高度(<4.81 m)不超出壓縮機二層頂板;

2)可分段拆除,采用便于后期維護、檢修、沖洗等作業的結構型式。

2.3 流體空間的確定

選擇流體空間時,有多種因子可能會對選擇流體空間產生影響,而腐蝕和結垢是其中兩個最為重要的考慮因子[5]。本水冷器工藝介質流程為:殼程走水路,管程走氣路,形成“水包氣”的模式,減少外界環境對水冷器換熱效果的影響。模擬計算結果匯總見表1。

表1 模擬計算結果匯總表

3 項目完成后前后數據對比

3.1 換熱效果

水冷器技術升級改造以后,換熱效果由改造前的平均58.73 ℃降低到改造后的平均31 ℃,換熱效果平均提升27.73 ℃,效果提升47.2%,結果如表2所示。

表2 改造前后換熱效果對比 單位:℃

3.2 電耗對比

水冷器技術升級改造以后,單日平均電耗由改造前的126 321 kW/h降低到改造后的125 161 kW/h,改造后單日平均節約電耗1 159.8 kW/h,電耗降低0.92%,結果如表3所示。

表3 改造前后電耗對比 單位:kW/h

3.3 三段水冷器阻力

水冷器技術升級改造以后,單機三出壓力下降明顯,三段水冷器阻力由改造前的平均2.139 MPa降低到改造后的平均2.041 MPa,改造后三段水冷器阻力平均下降0.098 MPa,阻力降低4.6%,結果如表4所示。

表4 改造前后阻力對比 單位:MPa

3.4 壓縮機至變換總管溫度

水冷器技術升級改造以后,壓縮機至變換總管溫度由改造前的平均54.29 ℃降低到改造后的平均47.22 ℃,改造后壓縮機至變換總管溫度平均下降7.12 ℃,溫度降低13%,結果如表5所示。

表5 改造前后溫度對比 單位:℃

改造后水冷器如圖1所示。

4 結論

此水冷器更換完成以后,換熱效率顯著提升,單機三段水冷器后溫度、三出總管溫度、單機三出壓力均有明顯下降,故而更換優化后其效果顯著。

1)水路和氣路流程進行了對調,形成了“水包氣”的流程在一定程度上避免了水冷器受外界氣溫影響造成的換熱效果下降問題;

2)在其它現場條件不變的情況下,通過適當犧牲阻力降來對水冷器換熱面積進行適當的放大;

3)水冷器是由上、下封頭加筒體組合而成的,所以在一定程度上做到了拆裝方便;

4)計算換熱器工藝后,如何根據實際的工作情況,確定結果是否符合要求,以及今后如何很好地解決問題,對設計師是極其重要的。一般來說,設計參數之間的匹配不是很好,它取決于哪些因素是最重要的。不同情況下有不同的要求,如溫度、壓降和流速以及傳熱系數,等等,必須確定具體的控制因素。只有這樣,熱交換器的設計才能滿足工藝本身的需要,并滿足結構、造價、維護成本等各個方面全面的需求,從而降低運營成本并提高公司的運營效率。