加氢装置运行全周期高压换热器垢阻计算与应用效果

姚立松，穆海涛

（中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东青岛266500）

文献［1］中介绍了某炼油厂蜡油加氢装置高压换热器垢阻的计算原理和计算方法，并采用MATLAB软件，计算了该装置2台高压换热器投入运行后半周期的垢阻。通过比较，确认总垢阻趋势与副线实际开度趋势相吻合，验证了计算结果的可靠性。结合该计算结果，提出了将阻垢剂加注浓度由100μg/g降低至35μg/g，以降低装置运行成本。但是，受装置运行时间的限制，文献［1］并未完成对该高压换热器运行一个周期即3年的垢阻跟踪计算，因此，无法完全确认该阻垢剂加注浓度下调的长周期效果。因此，本课题接续文献［1］的工作，跟踪计算了3年来该装置高压换热器垢阻，以确认该加注浓度的有效性。此外，基于ASPEN软件的换热器模块计算理论，构造采用ASPEN软件计算换热器垢阻的方法，探讨采用该软件计算垢阻的可行性与准确性。

1 MATLAB软件计算垢阻

1.1 计算结果

按文献［1］介绍的计算原理及方法，对某炼油厂蜡油加氢装置高压换热器A和B的垢阻分别进行跟踪计算，数据选取范围为自换热器投入使用直至第一个生产周期结束，共1 100个生产日，期间每15天取一组数据。高压换热器A和B的垢阻趋势分别见图1和图2。

从图1可以看出：高压换热器A在开工初期基本未发生结垢，运转5个月后垢阻开始上升，并在随后的三个月内垢阻上升较快。期间垢阻的波动幅度较大，主要原因在于装置生产负荷调整较大，反应平均温度调整幅度较大，高压换热器A/B的副线开度调整较大，由此造成高压换热器工况不稳定。投产10个月后，装置负荷达到高位，处理量基本稳定，调整幅度不大，反应平均温度、高压换热器副线开度等均变化不大。自此直至该运行周期结束，换热器垢阻在平缓态势中呈微涨趋势。

图1 高压换热器A的垢阻趋势

图2 高压换热器B的垢阻趋势

从图2可以看出：高压换热器B在开工初期即产生了一定的垢阻，此后9个月内，随运转时间的不断增加，垢阻增速较快。投产10个月后直至该运行周期结束，装置工况趋于稳定，调整幅度不大，垢阻在平缓态势中呈微涨趋势。

结合高压换热器A及高压换热器B的计算结果，运行3年后高压换热器A、B的总垢阻为1.20× 10－3（m2·K）/W。高压换热器A、B的总设计换热系数为420.9W/（m2·K），截至第1 010天，实际总换热系数为412.6W/（m2·K），相对于开工初期的实际总换热系数472.4W/（m2·K），下降了59.8W/（m2·K）。需要指出的是：开工初期装置处理量仅为设计负荷的84%，而末期处理量达到了110%。

1.2 结垢状况确认

2台高压换热器壳程设计有一条总副线，通过调整该副线开度，实现对换热器管程总出口温度的控制。高压换热器副线阀开度的变化在一定程度上能够反映换热器的结垢程度。因此，为进一步确认高压换热器结垢状况，给出了2台高压换热器的总垢阻与副线开度的趋势，见图3。从图3可以看出，随着总垢阻的不断增加，换热器副线开度逐渐降低。截至运行周期结束，换热器副线开度已由开工初期的40%强降至5%左右。而且，副线开度的变化趋势与垢阻变化趋势呈现出一定的对应关系，说明垢阻计算结果可信。

图3 高压换热器总垢阻与副线开度趋势

1.3 阻垢剂加注情况

该装置采用加注阻垢剂的方式，延缓高压换热器结垢。根据高压换热器垢阻计算数据，对阻垢剂加注浓度进行了调整，在确保高压换热器结垢状况可控的前提下，适当降低阻垢剂用量。装置开工初期，根据设计方要求，加注浓度初步定为100μg/g，此后，根据高压换热器结垢状况，逐渐下调加注浓度，运行半年后，该装置阻垢剂加注浓度降至35μg/g，运行2年后，阻垢剂加注浓度降至25μg/ g。与开工初期相比，阻垢剂月消耗量平均降低了15.3t，阻垢剂价格按2.1万元/t计，则该运行周期节省注剂费用1 159万元。而且，从换热器结垢状况以及副线开度来看，在该阻垢剂加注浓度下，换热器运行工况良好，能够满足装置长周期运行要求。

2 ASPEN软件计算垢阻

2.1 计算原理与方法

ASPEN软件虽数据库丰富，功能强大，但鉴于换热器垢阻形成机理、形成速率的复杂性与多变性，该软件暂时并不具备直接计算换热器垢阻的能力。但根据换热器热量衡算、传热膜系数方程及ASPEN软件的换热器模块设计理论，可根据该软件构造出相对可靠的垢阻计算方法。

在ASPEN软件的换热器严格法核算中，垢阻的数值是需要根据经验人为给定的。在给定该值之后，软件将根据换热器几何尺寸、冷热物流流量、温度，计算出物料物性、总热负荷、几何温差、总传热系数（包括了给定的垢阻值），最终计算出实际需要的换热面积［2］。基于这一计算过程，可以考虑，鉴于换热器几何尺寸不变，如果能够找到与投用初期相同的换热器工况，即找到物料流量相同、温度相同的工况，那么，该工况实际需要的换热面积将与投用初期一致，因为总传热系数包括了垢阻，只不过初期垢阻为0，末期暂时未知而已。在末期垢阻存在的情况下，如果人为给定的垢阻数值仍为0或过小，根据总传热系数的计算公式（1）得到的总传热系数Kq偏大，从而使计算出的所需换热面积小于初期的换热面积。通过调整垢阻数值达到换热面积一致的过程，即可得到末期换热器垢阻数值。式中：do为管束外径，m；di为管束内径，m；αi为管内传热系数，W/（m2·K）；αo为管外传热系数，W/（m2·K）；b为管壁厚度，m；λ为换热管管壁导热系数，W/（m·K）；dm为管束平均直径，m；R为换热器总垢阻，m2·K/W。

2.2 两种软件计算垢阻比较

根据2.1所述原理，构造ASPEN软件计算换热器垢阻的方法。采用该方法，在换热器运行的一个周期内，找到三组与投用初期相同的换热器工况，对三个工况的换热器垢阻进行计算。同时，采用MATLAB软件对该三个工况的垢阻进行计算，并将两种软件的计算结果进行比较，结果见图4和图5。从图4和图5可以看出，两种软件的计算结果都证明高压换热器已形成一定垢阻，且结果相接近，都能够在一定程度上反映出换热器结垢程度。但是，两个换热器的三组结果，均为ASPEN软件的计算结果略小于MATLAB软件的计算结果，具体原因分析如下：鉴于工业生产装置的非实验性，以及换热器垢阻生成的不可避免性，运行后期换热器副线开度必然要小于投产初期。即在相同的物料流量下，末期换热器壳程介质流量要高于初期，管程可保持一致。这种情况将造成所构造的ASPEN软件计算方法存在一定程度的偏差。因为壳程介质流量的增加，将造成壳程传热膜系数的增大，从而使得理论传热系数增大，进而导致一小部分实际产生的垢阻值被抵消，

图4 换热器A三种工况垢阻计算结果比较■—ASPEN软件；■—MATLAB软件。图5同

图5 换热器B三种工况垢阻计算结果比较

也就是说，在末期换热器副线关小的情形下，采用ASPEN软件计算的垢阻值要略小于实际垢阻值，这一计算结果与实际工况的差别，不是ASPEN软件本身的问题，而是实际工况的变化所致。如果生产装置允许将换热器副线开度调整至与初期一致，则该计算方法将相当准确。

3 结 论

（1）采用MATLAB软件建立的垢阻计算方法，计算结果可信。运行3年后换热器总垢阻为1.20×10－3（m2·K）/W。

（2）将垢阻计算结果用于指导工业生产，阻垢剂加注浓度由100μg/g下调至25～35μg/g，单周期节约阻垢剂成本约1 159万元。

（3）在实际工况还原为与初期工况完全一致的前提下，采用ASPEN软件建立的垢阻计算方法具有严格的准确性。

［1］ 姚立松，穆海涛，戴天林，等.加氢裂化装置高压换热器垢阻计算与应用［J］.石油炼制与化工，2010，41（12）：24－27

［2］ 屈一新.化工过程数值模拟及软件［M］.北京：化学工业出版社，2006：18－21