本发明主要涉及一种加氢装置高压空冷器系统流动防腐蚀建模方法，属于智能控制技术领域。
背景技术
加氢装置高压空器冷系统是加氢裂化装置反应流出物系统的重要设备之一，主要用来冷却加氢反应生成物，从而进行气液相分离。由于加氢装置高压空冷系统的运行工况极为复杂，流体介质在高压空冷器的管束内流动，涉及的参数众多，所以在运行过程中，必须保证其在稳定安全的环境。一旦发生泄漏、爆炸等安全事故，影响的不仅是企业经济的损失，更多的是员工生命安全。
近年来，虽然我国的加氢工艺技术不断地提高，但因国内石油资源匮乏，大部分原油都是从中东引进来的。含氮量和含硫量极高，导致石化企业炼化装置发生的腐蚀泄漏事故较多，其中加氢装置高压空冷器管束腐蚀穿孔泄漏问题尤为突出。
目前加氢装置高压空冷器管束入口衬管都是采用光滑直管与直角尾部结构，由于该衬管结构的不合理性，空冷管束发生腐蚀的概率特别高。腐蚀问题集中在两个方面：一是距衬管尾部100-120mm处发生冲蚀，即衬管尾部的突扩段内壁腐蚀严重，对比之下管束的中部、出口端管段内壁损伤较轻。二是距衬管尾部1.5m左右的位置发生管壁铵盐结晶与垢下腐蚀。现有技术中，通过提高材料等级来控制腐蚀问题，不仅成本高昂，且对于垢下腐蚀等极端问题仍然无法解决；通过工艺参数来控制腐蚀问题，虽然可控性强且成本较低，但是不能同时避免高速流冲蚀和低速流垢下腐蚀问题。如为了避免衬管尾部1.5m左右的区域铵盐结垢等问题，很多工厂直接提高流体介质流速，但这会使衬管尾部突扩口100—120mm范围管束冲蚀加重。因此，设计一种合理有效的衬管结构，同时解决加氢高压空冷管束的冲刷腐蚀与铵盐结垢腐蚀问题，具有重大的工程和学术意义。
技术实现要素：
为了克服现有技术中存在的不足：本发明公开一种加氢装置高压空冷器系统流动防腐蚀建模方法及高压空冷器波纹带衬管结构。经过多次试验，公开6波段，弧度半径为5mm的波纹衬管，为最优化的波纹带衬管结构参数，实现了在不改变空冷管束材料及操作参数的情况下，优化管束内部及管束壁面边界层的流体状态，同时解决了加氢高压空冷管束的冲刷腐蚀与铵盐结垢腐蚀问题。
本发明技术方案如下：
一种加氢装置高压空冷器系统流动防腐蚀建模方法，包括以下步骤：
s1，选择高压空冷管束和高压空冷器波纹带衬管材质；
s2,选择高压空冷器管束内流体的流速和介质参数；
高压空冷器管束内流体的流速范围为4.6m/s—12.2m/s，流体为硫化氢铵溶液，流体为加氢装置反应流出物；
s3,建立衬管几何结构对空冷管束内及壁面流态流速影响分析模型；
基于ansys软件进行衬管几何结构建模：基于ansys软件的模块fluent对衬管内、空冷管束内及壁面处流体流动进行分析，确定空冷管束壁面边界层的冲蚀特性和管束内流体湍流流态特性，空冷管束壁面边界层的冲蚀特性包括管束壁面边界层流体的相分率、剪切应力、压力分布图和流速矢量图；管束内流体湍流流态特性包括管束内流体的相分率、剪切应力、压力分布图和流速矢量图。
步骤s3具体包括以下步骤：
(301)，确定流体边界条件；
根据空冷器操作参数、设计参数确定管束入口压力和流量，管束出口压力和流量；
(302)衬管及管束内流体数学模型的结构化网格划分；
在geometry板块中完成衬管及管束内流体数学模型形状后，在mesh板块中进行网格划分，检查网格质量与模型尺寸相匹配；对尾部带波纹条的衬管进行建模；
(303)建立衬管及管束内流体数学模型的解算模型；
在采用结构化网格划分计算空间的条件下，控制方程采用三维非定常可压缩n-s方程，对控制方程进行计算时运用有限容积法，压力速度耦合基于标准simple方法，湍流解算采用k-ε湍流模型，多相流解算采用mixture混合模型；因为加氢空冷系统管束内流动的介质多为液气混合物，因此初始选择mixture混合模型，mixture混合模型用于求解混合物(混合相)动量方程，以设定的相对速度描述弥散相，用于模拟无相对速度的匀质弥散多相流；
(304)，波纹衬管几何结构参数对于管束内及壁面流态和流动参数的影响分析；
为了避免高速流冲蚀和低速流氯化铵盐结垢腐蚀，高湍流强度、高剪切力区域应集中管束内部，使得管束内部处于强湍流扰动状态，从而流体中的氯化铵盐则会因管束内部的强湍流扰动作用而在管束中心充分搅拌溶解，最终避免氯化铵盐在金属管束壁面上成核结晶，同时管束壁面边界层流速和剪切力较低，从而最大程度避免高速流的冲蚀减薄；以碳钢为材料的高压空冷管束，边界层流速要求控制在4.4—5.2m/s，incoloy825合金作为高压空冷器管束材料时，则边界层流速需要控制在4.4—9.1m/s；基于上述条件波纹衬管结构参数，否则调整波纹管波段和波弧半径，重复步骤(301)-(304)直到满足要求；
(305)，选择高压空冷器波纹带衬管参数。
基于mixture混合模型求解混合相的连续性方程、动量方程、能量方程和第二相的体积分数方程，具体为：
(a)连续性方程：
(b)动量方程：
式中，
p为压力，单位为pa；n为相数；∝i为第i相的体积分数；
(c)能量方程：
kε为有效热传导率，单位为w/(m·k)；se为包含所有物质的体积热源，单位为w；
hi为第i相的焓值；
t为温度，单位为k；
(d)第二相的体积分数方程：
(e)标准k-ε湍流模型：
k为湍流动能，单位是m2/s；ε为湍流耗散率，单位为m2/s2；
gk是层流速度梯度引起的湍流动能项；gb为浮力引起的湍流动能项；
ym为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；c1、c2、c3为常数；σk、σg为湍流普兰特数；
μ为粘度，单位为pa.s；μt为湍流粘性系数；xi为直角坐标方向；
dk、dε和dt表示k、ε、t的微分算子；ρ表示物质的密度，单位是kg/m3。
标准k-ε模型为湍流模型，连续性方程、动量方程、能量方程和第二相的体积分数方程是多相流模型，用于计算不同类型流体的流动参数分布情况；本发明基于步骤(301)-(304)之间的就算流程和校核方法，得到的波纹衬管的参数，实现空冷器管束的主动腐蚀防护。
高压空冷管束材质为incoloy825合金或碳钢，衬管材质为ta1。
高压空冷器波纹带衬管包括突扩段、波纹段和衬管尾段；突扩段与波纹段通过第一圆弧相连接；波纹段与衬管尾段通过第二圆弧相连接；
波纹段为6段波纹；第一圆弧半径为5mm；第二圆弧半径为5mm。
突扩段的入口处到波纹段和波纹段到衬管尾段的出口处，为1:10的斜度。
波纹段最大直径为20mm；
波纹段的凸弧半径为r2＝5mm，波纹段的凹弧半径r1＝2.5mm。
突扩段为坡形管，斜度为1:10，总长为50mm；
突扩段入口直径为15mm，出口直径为20mm。
衬管尾段为坡形管，斜度为1:10，总长为30mm。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
本发明公开一种加氢装置高压空冷器系统流动防腐蚀建模方法，根据流体在管束内部的流动状态和管束壁面边界层的流速满足流体腐蚀要求时得到满足空冷器管束流动防腐蚀要求的波纹衬管参数，通过流体建模方法实现了衬管几何参数定量分析、计算的模型，解决了在不改变空冷管束的情况下，控制高压空冷管束的高速流冲蚀和低速流氯化铵盐结垢腐蚀的问题，满足了实际应用中高压空冷腐蚀主动控制优化效果。
附图说明
图1为本发明一种高压空冷器波纹带衬管的结构示意图；
图2为本发明带有波纹带衬管的压力分布图；
图3为本发明带有波纹带衬管的速度分布图；
图4直角尾部衬管压力分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种加氢装置高压空冷器系统流动防腐蚀建模方法，包括以下步骤：
s1，选择高压空冷管束和高压空冷器波纹带衬管材质；
高压空冷管束材质为incoloy825合金或碳钢，衬管材质为ta1；
s2,选择高压空冷器管束内流体的流速和介质参数；
高压空冷器管束内流体的流速范围为4.6m/s—12.2m/s，流体为加氢装置反应流出物(含烃、硫化氢、硫化氢铵、氯化铵盐)；
s3,建立衬管几何结构对空冷管束内及壁面流态流速影响分析模型；
基于ansys软件进行衬管几何结构建模：基于ansys软件的模块fluent对衬管内、空冷管束内及壁面处流体流动进行分析，确定空冷管束壁面边界层的冲蚀特性和管束内流体湍流流态特性，空冷管束壁面边界层的冲蚀特性包括管束壁面边界层流体的相分率、剪切应力、压力分布图和流速矢量图；管束内流体湍流流态特性包括管束内流体的相分率、剪切应力、压力分布图和流速矢量图；
步骤s3具体包括以下步骤：
(301)，确定流体边界条件；
根据空冷器操作参数、设计参数确定管束入口压力和流量，管束出口压力和流量。
(302)衬管及管束内流体数学模型的结构化网格划分；
在geometry板块中完成衬管及管束内流体数学模型形状后，在mesh板块中进行网格划分，检查网格质量与模型尺寸相匹配；对尾部带波纹条的衬管进行建模；
(303)建立衬管及管束内流体数学模型的解算模型；
在采用结构化网格划分计算空间的条件下，控制方程采用三维非定常可压缩n-s方程，对控制方程进行计算时运用有限容积法，压力速度耦合基于标准simple方法，湍流解算采用k-ε湍流模型，多相流解算采用mixture模型；因为加氢空冷系统管束内流动的介质多为液气混合物，因此初始选择mixture混合模型，mixture混合模型用于求解混合物动量方程，以设定的相对速度描述弥散相，用于模拟无相对速度的匀质弥散多相流。
基于mixture混合模型求解混合相的连续性方程、动量方程、能量方程和第二相的体积分数方程，具体为：
(a)连续性方程：
(b)动量方程：
式中，
p为压力，单位为pa；n为相数；∝i为第i相的体积分数；
(c)能量方程：
ke为有效热传导率，单位为w/(m·k)；se为包含所有的体积热源；
hi为第i相的焓值；
(d)第二相的体积分数方程：
(e)标准k-ε湍流模型：
k为湍流动能，单位是m2/s；ε为湍流耗散率，单位为m2/s2；
gk是层流速度梯度引起的湍流动能项；gb为浮力引起的湍流动能项；
ym为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；c1、c2、c3为常数；σk、σg为湍流普兰特数；
μ为粘度，单位为pa.s；μt为湍流粘性系数；xi为直角坐标方向；
dk、dε和dt表示k、ε、t的微分算子；ρ表示物质的密度，单位是kg/m3。
标准k-ε模型为湍流模型，连续性方程、动量方程、能量方程和第二相的体积分数方程是多相流模型，用于计算不同类型流体的流动参数分布情况；本发明基于步骤(301)-(304)之间的就算流程和校核方法，得到的波纹衬管的参数，实现空冷器管束的主动腐蚀防护；
(304)，波纹衬管几何结构参数对于管束内及壁面流态和流动参数的影响分析；
为了避免高速流冲蚀和低速流氯化铵盐结垢腐蚀，高湍流强度、高剪切力区域应集中管束内部，使得管束内部处于强湍流扰动状态，从而流体中的氯化铵盐则会因管束内部的强湍流扰动作用而在管束中心充分搅拌溶解，最终避免氯化铵盐在金属管束壁面上成核结晶，同时管束壁面边界层流速和剪切力较低，从而最大程度避免高速流的冲蚀减薄，对于以碳钢为材料的高压空冷管束，其边界层流速要求控制在4.4—5.2m/s，而incoloy825合金作为高压空冷器管束材料时，则边界层流速需要控制在4.4—9.1m/s。基于上述条件波纹衬管结构参数，否则调整波纹管波段和波弧半径，重复步骤(302)-(305)直到满足要求。
(305)，选择高压空冷器波纹带衬管参数。
本发明采用了一种通过具有新型几何结构的衬管，改变加氢装置高压空冷器管束入口流动状态以实现其主动腐蚀防护的方法，并通过流体建模方法实现了衬管几何参数定量分析、计算的模型，解决了在不改变空冷管束的情况下，主动且同步控制高压空冷管束的高速流冲蚀和低速流氯化铵盐结垢腐蚀的问题，满足了实际应用中高压空冷腐蚀主动控制优化效果。
如图1所示，高压空冷器波纹带衬管包括突扩段1、波纹段2和衬管尾段3；突扩段1与波纹段2通过第一圆弧相连接4；波纹段2与衬管尾段3通过第二圆弧5相连接；
波纹段2为6段波纹；第一圆弧4半径为5mm；第二圆弧5半径为5mm。
突扩段1的入口处到波纹段2和波纹段2到衬管尾段3的出口处，为1:10的斜度。
波纹段2最大直径为20mm。
波纹段2的凸弧半径为r2＝5mm，波纹段2的凹弧半径r1＝2.5mm。
突扩段1为坡形管，斜度为1:10，总长为50mm。
突扩段1入口直径为15mm，出口直径为20mm。
衬管尾段3为坡形管，斜度为1:10，总长为30mm。
从图2可知，本发明计算出的带有波纹带衬管，在流体流动是，在衬管入口处压力较大，与图4的直角尾部衬管相比，带有波纹带衬管压力分布比较均匀，因为波纹带的存在，衬管进口处压力相对比较大；在突扩区域，由于1:10的坡口存在，压力变化没有像直角尾部衬管的变化高。在衬管尾部后区域，压力逐渐降低。由图3带有波纹带衬管的速度分布图可知，在波纹带和衬管尾部的壁面上的流速与管中心带相比，流速相对较低，
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。