EDR在消除換熱器振動(dòng)中的應(yīng)用

魏川林（山東濟(jì)煉石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

1 Exchanger Design and Rating 換熱器計(jì)算軟件介紹

Exchanger Design and Rating(以下簡稱EDR)是世界上非常優(yōu)秀的管殼式換熱器軟件，能夠?yàn)橛脩籼峁┳顑?yōu)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(jì)算功能，分別為“計(jì)算”（Rating），“模擬”（Simulation）和“設(shè)計(jì)”（Design）。默認(rèn)計(jì)算類型為“計(jì)算模式”。

計(jì)算是給定幾何參數(shù)的熱交換器，它根據(jù)指定的工藝條件確定熱交換器的熱負(fù)荷。模擬是針對特定幾何尺寸條件的熱交換器，它計(jì)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(dá)到的最大熱負(fù)荷。計(jì)算和模擬之間的唯一區(qū)別是所提供的工藝條件不同。必須為計(jì)算模式提供足夠的技術(shù)條件，以確定換熱器的熱負(fù)荷；針對模擬模式程序計(jì)算熱交換器的性能，求出熱交換器能夠達(dá)到的最大熱負(fù)荷。在設(shè)計(jì)模式下，如果定義了熱交換器的大多數(shù)幾何結(jié)構(gòu)和足夠的工藝條件，則會計(jì)算所需的熱負(fù)荷。然后，計(jì)算缺少的其他幾何尺寸，傳熱系數(shù)和壓力降。在此過程中，可以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程是交互式的，可控制每個(gè)幾何參數(shù)的公差和范圍。一般設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)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(shù)的細(xì)節(jié)計(jì)算和微調(diào)以符合設(shè)計(jì)要求。

2 EDR計(jì)算換熱器的振動(dòng)分析

在管殼式換熱器中，當(dāng)殼程側(cè)流體橫向流經(jīng)管束時(shí)，容易引起管殼進(jìn)出口管、擋板缺口區(qū)和U形彎管附近的管振動(dòng)或聲振動(dòng)，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(dǎo)振動(dòng)具有復(fù)雜性而現(xiàn)有技術(shù)的局限，目前還沒有準(zhǔn)確預(yù)測換熱器振動(dòng)的方法，通常認(rèn)為，流體誘導(dǎo)振動(dòng)的主要原因是流體彈性不穩(wěn)定和卡門旋流。當(dāng)滿足下面條件之一時(shí)，可能會發(fā)生管束振動(dòng)：(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(zhì)的選擇一般原則如下：a）為便于清理，應(yīng)在管程側(cè)走臟的或易結(jié)垢的介質(zhì)（U 型管換熱器除外）。（b）為避免管程和殼程同時(shí)受到腐蝕，對于腐蝕性介質(zhì)宜走管程。C）為減少投資，一般高壓介質(zhì)走管程，低壓介質(zhì)走殼程，能降低殼程壁厚。D)對于冷凝工況，需要冷凝的介質(zhì)宜走殼程，便于冷凝液的排出。E）粘度高的介質(zhì)宜走殼程，以便提高殼程的喘流強(qiáng)度，提高雷諾數(shù)，提高傳熱系數(shù)。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(zhì)宜走殼程。

以上原則不是絕對的，往往會出現(xiàn)矛盾的情況，這時(shí)候需要綜合判斷，即滿足工藝要求，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性、可靠性及易于檢修等。

4 換熱器的振動(dòng)分析

某催化裝置富氣壓縮機(jī)級間冷卻器，在裝置提高負(fù)荷時(shí)，換熱器本體以及相連接的管線振動(dòng)比較厲害，甚至連帶設(shè)備平臺一起振動(dòng)，但低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)輕微，此設(shè)備存在較大的安全隱患。由于裝置不能長時(shí)間停工，車間希望通過較小的改造消除振動(dòng)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，此換熱器是用冷卻水冷卻催化裝置壓縮機(jī)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(shè)計(jì)為催化裝置富氣走殼程，循環(huán)水走管程，殼體內(nèi)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(shè)備在上一個(gè)運(yùn)行周期并未出現(xiàn)明顯的振動(dòng)情況，由于這個(gè)周期裝置加工原料的變化，富氣量比原設(shè)計(jì)有較大的提高，負(fù)荷增加，因此初步判斷可能是超負(fù)荷引起的換熱器振動(dòng)。

為進(jìn)一步確認(rèn)問題所在并消除振動(dòng)，筆者從車間獲取了實(shí)際工藝數(shù)據(jù)及設(shè)備參數(shù)，采用EDR對此換熱器進(jìn)行分析。首先用流程模擬軟件進(jìn)行工藝計(jì)算，盡量擬合實(shí)際的工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次調(diào)試合格后，將模擬結(jié)果導(dǎo)入EDR 軟件中進(jìn)行換熱器的詳細(xì)計(jì)算。在此需要提醒一下，有時(shí)候?qū)隕DR后可能會出現(xiàn)導(dǎo)入的熱負(fù)荷和模擬計(jì)算的不一致且誤差太大，此時(shí)需要進(jìn)一步核對并修正熱力學(xué)數(shù)據(jù)，以保證熱力學(xué)數(shù)據(jù)的正確性，否則后面的計(jì)算結(jié)果就不可靠了。

根據(jù)以上步驟對換熱器的計(jì)算結(jié)果是：此設(shè)備最大橫流流速W 為26.33m/s；總傳熱系數(shù)K 為325 W/(m2.K)；實(shí)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(jìn)一步分析換熱器的振動(dòng)時(shí)，由于W/Wc,Fv/Fn,Fv/Fa 超出允許范圍,EDR 提示可能有振動(dòng)發(fā)生，并將超限的項(xiàng)用“*”提示，見下表所示。出現(xiàn)振動(dòng)的原因之一是催化裝置富氣走殼程時(shí)橫流流速(26.33m/s)大大超過臨界橫流流速，同時(shí)也提高了卡曼旋渦頻率。

為消除換熱器的振動(dòng)，一般來說大部分時(shí)候可以調(diào)整流速、折流板間距等，其次也可以對換熱器的其他結(jié)構(gòu)尺寸及型式進(jìn)行調(diào)整，比如布管角度、換熱管尺寸、折流板缺口面積、弓形區(qū)不部管、調(diào)整為折流桿等。本項(xiàng)目為降低投資及縮短改造工期，如果調(diào)整為折流桿換熱管束顯然投資太大，擴(kuò)大換熱器的直徑也不經(jīng)濟(jì)，期望通過較小的改造解決振動(dòng)問題。多次調(diào)整發(fā)現(xiàn)富氣走殼程均不能通過以上手段消除振動(dòng)。當(dāng)調(diào)整流體的流動(dòng)通道顛倒管殼程介質(zhì)，讓催化裝置富氣走管程，循環(huán)水走殼程，同時(shí)調(diào)整為單管程，其他不做調(diào)整，計(jì)算結(jié)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(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，EDR提示殼程入口Fv/Fn超限，推測可能發(fā)生管束會產(chǎn)生振動(dòng)，但其他參數(shù)均未提示報(bào)警，為了完全消除振動(dòng)的可能，把換熱器殼程循環(huán)水管徑出入口從DN150調(diào)整為DN200，經(jīng)EDR 重新計(jì)算所有振動(dòng)報(bào)警均消失，所有參數(shù)均在允許范圍內(nèi)，如下表所示：

因此，為避免管束振動(dòng)，級間冷卻器應(yīng)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(diào)整為DN200，管箱改為單管程，相應(yīng)調(diào)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(jié)語

管殼式換熱器的冷熱介質(zhì)為氣體和液體，且氣體流量較大，為避免管束振動(dòng)，應(yīng)選擇流速大的氣相介質(zhì)走管程，同時(shí)換熱器開口管徑尺寸對振動(dòng)的影響也不能忽略。利用EDR 軟件對級間冷卻器經(jīng)過重新計(jì)算，改造后在實(shí)際運(yùn)行中，消除了振動(dòng)現(xiàn)象，冷卻效果良好。