急冷锅炉入口联箱与扁圆管结构优化设计

2013-10-15蒋巍

化工装备技术 2013年2期

关键词：炉管管内入口

蒋巍

（北京航天动力研究所）

徐慧敏

（大庆石化工程有限公司）

孙圣迪

（黑龙江工程学院机电工程学院)

0 引言

急冷锅炉是指利用乙烯裂解过程中的余热以产生蒸汽的锅炉，是乙烯生产的关键设备之一。它的安全稳定运行对乙烯装置的稳定运行、增加乙烯收率，具有重要意义[1]。某化工厂乙烯装置裂解炉的急冷锅炉在一次投料过程中，发现炉管出口处泄漏、着火。退料处理后，重新投料，发现炉管流通不畅。拆锅炉入口盲法兰后发现，炉管内管出现堵塞、严重鼓包、轻度鼓包、弯曲的现象。本文通过对原结构的数值模拟得到了热负荷均匀情况下各炉管流量分配规律[2]。根据流量分配的规律拟定了六种改进方案。通过对六种方案炉管内的流量分配进行分析，得到最优结构（最优方案），并对其速度场、压力场进行数值模拟分析，验证优选结构的正确性。

1 原结构的模拟分析

急冷锅炉炉管分4组，每组16根，共64根。炉管型式为双套管式，内管材质15CrMoG，尺寸为覫101.6 mm×10 mm，外管材质SA106GrB，尺寸为159 mm×14 mm，每组换热面积为80.2 m2，管程介质为裂解气，壳程介质为锅炉给水。

入口联箱和扁圆管内的速度分布如图1、图2和图3所示。由图可以看出，联箱的端部流速很小，可以看作流动死区。中间5根连接管内的流速要大于两侧的连接管内的流速。扁圆管空间内，在中间6根管的外侧空间靠近连接管的一侧有一对对称的漩涡，底部的流体绕管壁规则地流动。在两侧的炉管管壁外流水绕管壁有较强的旋流作用，这种周向的旋流作用会影响炉管壳程内水的流动，增大流动阻力，导致这两根炉管内的水流量偏小。

图1 入口联箱和扁圆管速度矢量图

图2 入口联箱和扁圆管速度矢量局部放大图

图3 入口联箱和扁圆管速度分布云图

从图4可以看出扁圆管内的压力分布并不均匀，由于绕流的存在导致两端的炉管处的压力偏低，中间6根管底部的压力最高。

图4 入口联箱和扁圆管内的压力分布图

由这些数值模拟发现，各炉管内的流量分配不均，存在较大的偏差。两端的炉管流量最小，容易导致传热恶化，造成内管超温。

2 改进方案及分析

为使各炉管流量分配均匀，减小最大流量和最小流量的偏差，本文在保证设计操作、实际操作和异常工况时各炉管的平均流量不变（分别为2.507 kg/s、1.920 kg/s、1.609 kg/s）的原则下，在原结构的基础上在扁圆管的两端各增加一根辅助连接管。各管的间距不变，辅助连接管到最近的连接管距离为202 mm，辅助连接管的直径不同。根据辅助连接管的直径和布置的不同，拟定了六种改进方案（见表1）。改进方案的入口联箱和扁圆管结构如图5所示。