王正方,王 勇

(1.中国石油大学机电工程学院,山东东营 257061;2.山东大学机械工程博士后科研流动站,山东济南 250061)

灰色决策在常减压塔顶换热器改造中的应用

王正方1,2,王 勇1

(1.中国石油大学机电工程学院,山东东营 257061;2.山东大学机械工程博士后科研流动站,山东济南 250061)

某炼油厂常减压装置加工中东进口高硫原油后,塔顶换热器冲刷腐蚀严重,需要进行改造。采用普通管壳式换热器和螺旋折流板换热器的结构形式,换热管采用 20碳钢加 TH847涂料、20碳钢渗铝、316L和双相钢,组合起来共有 8种方案;对备选方案的传热效率、制造费用、维护费用、安全程度、制造难度等指标进行比较和排序,采用灰色系统理论,进行灰靶决策;考虑材料的耐腐蚀性能,又对各种方案的指标具体量化,进行灰色关联决策;对改造目标权重划分后进行灰色变权决策。结果表明:采用螺旋折流板结构和 20渗铝换热管的方案为最佳方案,可以在保证安全的前提下最大限度地发挥材料的性能;螺旋折流板结构优于普通弓形折流板结构,应该采用先进制造技术,降低螺旋折流板换热器制造难度。

换热器;材料选择;灰色决策

某炼油厂常减压装置由加工胜利原油改为中东进口高硫原油后,塔顶冷换设备腐蚀明显加重,运行了一年半的时间后进行了设备大检修[1-2]。常压塔顶换热器工作温度在 120℃左右,属于 HCl-H2SH2O型腐蚀[3]。塔顶产品中的活性硫会和设备反应生成一层 FeS保护膜,覆盖在金属表面,原油中的氯化物在蒸馏过程中受热分解与水分形成盐酸以及油品中环烷酸会破坏金属表面形成保护膜,腐蚀产物被冲走,露出金属基层,使反应持续进行[4-5]。三顶冷却器管束用碳钢和 18-8奥氏体不锈钢均不理想,碳钢易腐蚀及堵塞,18-8奥氏体不锈钢易发生脆断,目前有公司正在试用 08Cr2A lMo,并在塔顶冷却器的管束试用双相不锈钢、Ti管、12Cr2A lMoV等新材料,有资料表明渗铝钢耐蚀性较好[6-7]。换热器壳程一般为原油或者含盐冷却污水,原油比较黏稠,其中含有的污垢和杂质等会在换热管表面结垢,降低传热效率。螺旋折流板结构与普通管壳式换热器相比可以提高换热效率,节约占地面积,降低流体诱导发生振动的可能性,大大提高安全性,但是制造难度很大[8-9]。灰色系统理论成功地应用于社会、经济、农业系统等不确定系统[10-13],笔者采用灰色决策的方法为塔顶冷换设备改造提供解决方案。

1 方案选择

表 1 各种改造方案的对比Table1 Contrast of different rebuilding project

2 灰靶决策

灰靶决策实质上是寻找相对优化意义下满意效果所在的区域,在许多情况下要取得绝对最优是不可能的,需要退而求其次,要求有个满意的方案就可以,根据需要,可以将灰靶逐步收缩,最后退化为一点,即最优效果,与之对应的局势就是最优局势,相应的对策就是最优对策。

如果采用 20碳钢作换热管,产品中的 H2S,HCl和水会与金属反应,堵塞管孔。壳程内的流体中含有的杂质污物会在换热管表面沉积,降低换热效率。在 20碳钢表面涂装 TH847涂料可以防腐,检修时将管束抽出,用高压水冲洗,去掉换热管表面的污垢,可以提高换热效率,换热管基本完好,仅有部分位置涂层破裂,见图 1。未采取措施的 20碳钢换热管表面结垢严重,见图 2。污物沉积在换热管表面阻塞流体通道,不仅降低换热效率,还增大壳程压降,消耗动力。用双相钢做换热管可以抗应力腐蚀,而且传热性能好,比较安全,但是价格十分昂贵。由于塔顶产品中含有大量的氯离子,奥氏体不锈钢换热管会发生应力腐蚀破坏。在改造目标下对各方案进行排序,得局势的效果向量矩阵U。

图 1 涂装 TH847的 20碳钢管束Fig.1 Tube bundle of 20 carbon steel with TH847 coating

靶心距越大说明方案越差,可见采用换热器螺旋折流板结构,换热管采用碳钢渗铝换热管方案最优,其次为螺旋折流板结构加 20碳钢 +TH847涂料方案。螺旋折流板换热器虽有各种优点,但由于制造难度较大,很多厂家并没有选用。如果采用普通弓形折流板结构,换热管宜采用 20碳钢渗铝处理。

图 2 20碳钢管束表面结垢严重Fig.2 20 carbon steel tube bundle surface scaling seriously

3 灰色关联决策

灰靶决策仅仅对各项目标进行了简单排序,没有考虑价格、制造难度、维护费用等的绝对值大小。根据某制造厂换热器生产的实际,将改造方案的效果进行具体的量化,见表 2。

热器的制造费用是信息型灰数,不同的制造厂劳动力成本、原材料进货渠道、管理费用都不相同,报价相差很大,但是具体到某一个厂家对具体设备的报价来说,灰数可以变白。传热效率、制造难度和安全性能属于概念型灰数,是指由于人们的某种观念和意愿形成的灰数,螺旋折流板的结构形式比弓形折流板要安全,但是安全多少,不同的专家有不同的理解。螺旋折流板的结构形式比弓形折流板的制造难度要大得多,限于制造技术的发展,长期以来很多制造厂都难以实现,难度是无穷大。改造方案中关联的灰数白化采用专家评估的方法进行量化。

表 2 各种方案的量化指标Table 2 Quantitative index of different program

3.1 求各序列的均值像

因为各序列的单位不同,首先进行无量纲化,求各序列的均值像

3.2 找出最优效果向量

可以看出,ε96＞ε95＞ε91＞ε92＞ε98＞ε94＞ε97＞ε93。数值越大,说明改造方案与理想最优方案越接近。灰色关联决策表明采用螺旋折流板结构和20碳钢渗铝换热管为最佳方案,其次是螺旋折流板结构和 20碳钢涂 TH847换热管,再其次是普通换热器采用 20碳钢涂 TH847换热管和 20碳钢渗铝换热管。20碳钢涂 TH847换热管与20碳钢渗铝换热管计算得到的结果差不多。

4 灰色变权决策

于是,效果向量的变权矩阵变为

可以看出 ,ε ε96＞ε ε95＞ε ε98＞ε ε92＞ε ε91＞ε ε94＞ε ε97＞ε ε93。数值越大 ,说明改造方案与理想最优方案越接近。灰色变权决策认为采用螺旋折流板结构和 20碳钢渗铝换热管为最佳方案,其次是螺旋折流板结构和 20碳钢涂 TH847换热管,再其次是螺旋折流板结构和双相钢换热管、普通换热器采用20碳钢渗铝换热管和 20碳钢涂 TH847换热管。20碳钢涂 TH847换热管和 20碳钢渗铝换热管计算得到的结果差不多,但是考虑到涂 TH847后,换热管传热效率会降低,而且如果涂装不均匀,或者涂层在施工过程中发生损伤,腐蚀介质将加速损伤处换热管的破坏,还是不用为好。目前 20碳钢表面渗铝技术比较成熟,虽然费用稍微贵一些,但是渗铝层传热效果好,渗铝层与碳钢金属结合紧密,抗硫和 H2S腐蚀的效果好,因此优先采用。同样的换热管螺旋折流板结构优于普通换热器,但是螺旋折流板结构实现起来比较困难,限制了在生产中的应用。如果螺旋折流板结构制造难度降低,还是有很大的推广应用空间,洛阳和大庆石化公司都有应用,在实际改造中可以将管束抽出,新制造一台螺旋折流板结构的管束而壳程不变。

5 结束语

在塔顶换热器的改造中采用灰色系统理论进行方案的选择可以减少设备改造中人为因素的影响,决策结果更为科学合理。在传热效率越高越好,工程造价越低越好,维护费用越少越好,越安全越好,制造难度越小越好的改造目标下,灰靶决策、灰色关联决策和灰色变权决策的结果都表明,采用螺旋折流板结构配合 20碳钢渗铝的换热管是最佳方案。灰色关联决策比灰靶决策考虑得更为细致,计算结果更加可靠,但是计算量较大。灰色变权决策还考虑了用户在改造方案中对不同目标的重视程度,更加符合工程应用的实际。灰色决策得出的最佳方案是采用螺旋折流板结构和 20碳钢渗铝换热管,鉴于目前螺旋折流板结构制造难度仍然很大的情况,应该采用先进制造技术,降低制造成本,扩大螺旋折流板换热器的应用范围。

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Application of grey decision to atmospheric-vacuum distillation un it exchangers rebuilding

WANG Zheng-fang1,2,WANG Yong1

(1.College of Electrom echanical Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China;2.M echanical Engineering Station forDoctoral Research in Shandong University,Ji´nan250061,China)

The exchangers on the top of a tmospheric-vacuum distillation towerwere exposed to washing erosion seriouslywhen a refinery processedMiddle-East sour crude oil.The rebuilding schemes are general shell-and-tube heat exchangers and helix-baffled structure,and tubematerials are 20 carbon steelwith TH847 coating,20 carbon steel aluminizing,316L and dual phase steel.Considering heat transfer efficiency,manufacture cost,maintenance cost,safety and manufacture difficulty,grey system theorywas used to do grey target decision.Considering the corrosion resistance of the material,for various programs´specific quantitative indicators,the grey correlation decision was done.Grey target decision,grey correlation decision and grey variable weight decision all show that helix-baffled structure with 20 carbon steel aluminizing tube is the optimum program.Helix-baffled structure is better than general bow-shaped baffle plate structure,and the advanced manufacturing technology should be adopted to lower the fabricating difficulty of helix-baffled heat exchanger.

heat exchanger;materials selection;grey decision

TE 965;TE 985.9

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.06.021

1673-5005(2010)06-0109-05

2010-01-24

国家质量监督检验检疫总局科技项目(2005QK112)

王正方 (1971-),男 (汉族),山东淄博人,高级工程师,博士,主要从事化工机械及制造方面的工作。

(编辑 沈玉英)