一种非完全布管浮头换热器的优化设计方法及系统与流程

本发明涉及非完全布管浮头换热器，特别是涉及一种非完全布管浮头换热器的优化设计方法及系统。

背景技术：

1、浮头换热器由于能承受高温、高压还便于清洗，在石油化工装置中成为大型化管壳式换热器的主要选择之一。浮头换热器由前端管板(即固定端管板)、后端管板(即浮动端管板)和中间管束组成，浮头换热器的典型结构见图1，最常见管板连接结构是前端管板通过法兰夹持，后端管板通过勾圈结构连接。管板的设计计算是浮头换热器等管壳式换热器设计和安全评价的关键内容。目前标准中要求管板进行完全布管，形成圆形的布管区2-1和周边的环形不布管区2-2，见图2。

2、由于壳程设置防冲板、蒸发空间等需求，部分换热器的管板无法完全布管，见图3。对于不完全布管一般通过有限元建模进行模拟计算，需要耗费数月时间，难以满足高效的设计和安全评价要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种非完全布管浮头换热器的优化设计方法及系统，以实现非完全布管浮头换热器的高效优化设计。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种非完全布管浮头换热器的优化设计方法，所述方法包括如下步骤：

4、将管板划分为区域a、区域b和区域c；其中，所述区域a为从管板的中心沿水平方向到管板的最大支撑直径处之间的包括布管区和非布管区的线性区域，所述区域b为从管板的中心沿垂直方向到管板的最远距离开孔之间的线性区域，所述区域c为从管板的最远距离开孔行外缘沿垂直方向到管板的计算半径之间的区域；所述管板为固定端管板和/或浮动端管板；

5、根据非完全布管浮头换热器的实际布管数量，计算区域a的最大径向弯曲应力；

6、根据所述非完全布管浮头换热器进行完全布管时的所需布管数量，计算区域b的最大径向弯曲应力；

7、基于局部当量圆受均布压力的弯曲应力理论，计算区域c的最大径向弯曲应力；

8、根据区域a的最大径向弯曲应力、区域b的最大径向弯曲应力和区域c的最大径向弯曲应力，对管板的材料和厚度进行调整，并返回步骤“根据非完全布管浮头换热器的实际布管数量，计算区域a的最大径向弯曲应力”，直到区域a的最大径向弯曲应力、区域b的最大径向弯曲应力和区域c的最大径向弯曲应力均满足预设条件。

9、可选的，所述根据非完全布管浮头换热器的实际布管数量，计算区域a的最大径向弯曲应力，具体包括：

10、根据管板的厚度和直径，计算所述管板所承受的径向弯矩和周向弯矩，(可按按专利cn 110619141 b]中的完全布管计算模型进行计算，具体计算方式在此不再赘述)；

11、根据管板所承受的径向弯矩和周向弯矩，利用公式计算区域a的最大径向弯曲应力；

12、其中，δ为管板的厚度，μ为弯曲削弱系数，mr(x)和mθ(x)分别为管板所承受的径向弯矩和周向弯矩。

13、可选的，当所述管板为固定端管板时，计算区域c的最大径向弯曲应力的公式为：

14、

15、其中，为固定端管板的区域c的最大径向弯曲应力，pc为压力，v为固定端管板的中心沿垂直方向到管板的最远距离开孔之间的距离，h为固定端管板的中心沿水平方向到管板的最远距离开孔之间的距离，δ1为固定端管板的厚度，u表示固定端管板的不均匀系数，u＝v/h。

16、可选的，当所述管板为浮动端管板时，计算区域c的最大径向弯曲应力的公式为：

17、

18、其中，为浮动端管板的区域c的最大径向弯曲应力，pc为压力，vfl为浮动端管板的中心沿垂直方向到管板的最远距离开孔之间的距离，hfl为浮动端管板的中心沿水平方向到管板的最远距离开孔之间的距离，δ2为浮动端管板的厚度，ufl表示浮动端管板的不均匀系数，ufl＝vfl/hfl。

19、可选的，当所述管板为固定端管板时，所述预设条件为：

20、和均小于或等于1.5[σ1]且小于或等于[σ1]；

21、其中，和分别为固定端管板的区域a、区域b和区域c的最大径向弯曲应力，[σ1]为固定端管板的材料设计温度下的许用应力值。

22、可选的，当所述管板为浮动端管板时，所述预设条件为：

23、和均小于或等于1.5[σ2]且小于或等于[σ2]；

24、其中，和分别为浮动端管板的区域a、区域b和区域c的最大径向弯曲应力，[σ2]为浮动端管板的材料设计温度下的许用应力值。

25、可选的，当所述管板为固定端管板和浮动端管板时，所述预设条件为：

26、和均小于或等于1.5[σ1]且小于或等于[σ1]且和均小于或等于1.5[σ2]且小于或等于[σ2]；

27、其中，和分别为固定端管板的区域a、区域b和区域c的最大径向弯曲应力，[σ1]为固定端管板材料设计温度下的许用应力值，和分别为浮动端管板的区域a、区域b和区域c的最大径向弯曲应力，[σ2]为浮动端管板材料设计温度下的许用应力值。

28、一种非完全布管浮头换热器的优化设计系统，所述系统应用于上述的方法，所述系统包括：

29、区域划分模块，用于将管板划分为区域a、区域b和区域c；其中，所述区域a为从管板的中心沿水平方向到管板的最大支撑直径处之间的包括布管区和非布管区的线性区域，所述区域b为从管板的中心沿垂直方向到管板的最远距离开孔之间的线性区域，所述区域c为从管板的最远距离开孔行外缘沿垂直方向到管板的计算半径之间的区域；所述管板为固定端管板和/或浮动端管板；

30、区域a的最大径向弯曲应力计算模块，用于根据非完全布管浮头换热器的实际布管数量，计算区域a的最大径向弯曲应力；

31、区域b的最大径向弯曲应力计算模块，用于根据所述非完全布管浮头换热器进行完全布管时的所需布管数量，计算区域b的最大径向弯曲应力；

32、区域c的最大径向弯曲应力计算模块，用于基于局部当量圆受均布压力的弯曲应力理论，计算区域c的最大径向弯曲应力；

33、根据区域a的最大径向弯曲应力、区域b的最大径向弯曲应力和区域c的最大径向弯曲应力，对管板的材料和厚度进行调整，并返回步骤“根据非完全布管浮头换热器的实际布管数量，计算区域a的最大径向弯曲应力”，直到区域a的最大径向弯曲应力、区域b的最大径向弯曲应力和区域c的最大径向弯曲应力均满足预设条件。

34、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

35、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的方法。

36、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

37、本发明公开一种非完全布管浮头换热器的优化设计方法及系统，本发明考虑到非完全布管导致的不均匀性，将管板划分为区域a、区域b和区域c；针对不同的区域分别计算最大径向弯曲应力，填补了由于缺乏非完全布管结构没有计算方法，解决了传统的计算方法认为应力是完全轴对称分布，只能按实际布管数量纳入现有的完全布管计算模型，忽略了不同区域的应力差异，导致计算不完整，从而与实际偏离。与非完全布管结构不相符导致的计算结果偏差较大问题。本发明基于实际非完全布管管板结构的应力研究，将管板不同区域的应力分别进行计算，有限元验证表明更符合真实应力状态；并基于每个区域的最大径向弯曲应力进行安全性分析及参数调整，实现了非完全布管浮头换热器的高效优化设计。