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高温热管换热器稳定性设计及结构参数优化

摘要：利用三次设计的优化方法对高温热管换热器冷热流体侧翅片间距、翅片厚度、管束横向管间距、冷热流体迎风流速、迎风面宽度及加热段长度进行了最优参数组合，找出了高温热管换热器投资回收年限最小的最优解，最大限度地降低了投资成本，减小了运行费用。同时对各温度区域热管换热器进行了可靠性和稳定性设计研究，指出了过渡段采用强化管可以大幅度提高高温热管换热器在变工况下运行的稳定性和可靠性。随后借助神经络的方法对优化结果进行了模拟仿真，从而确定出最佳方案，其结果可为完善高温热管换热器结构优化设计提供一个新的方法。

关键词：热管换热器;高温;结构优化;神经络;三次设计

中图分类号：ＴＫ172.4;ＴＫ124文献标志码：Ａ

三次设计是日本著名学者田口玄一博士于20世纪70年代创立的一种优化设计方法，其基本思想是用正交表安排试验，用误差因素模拟各种干扰，以统计的方法定量地分析各种参数组合与质量特性之间的关系，从而求出最佳参数组合，同时将设计参数与计算效益结合起来，寻求成本较低廉、性能稳定可靠且质量特性又合理的一种设计新方法[1～3]。高温热管换热器是由管内充有不同工作介质的热管群组成的，管外流体的温度场是连续的，而管内蒸汽温度场是不连续的。当管外流体的进口流量、各温度段换热器进口温度以及污垢热阻偏离设计工况时，必然导致管内蒸汽温度偏离允许值，严重导致过渡区域部分热管处于不工作或非工作状态。如何在高温热管换热器实际运行工况不可能与设计工况完全一致的条件下，提高运行稳定性，使其实际性能指标尽可能稳定在设计目标值附近，这对高温热管换热器稳定性设计及结构参数优化研究是非常重要的。

文中利用三次设计的设计方法对各温度区域热管换热器进行了可靠性和稳定性设计研究，同时借助神经络的方法对优化结果进行了模拟，从而可以为确定最佳方案、完善高温热管换热器结构优化设计提供科学、简便可靠的计算依据，克服了单凭经验或有限试验结果来确定设计参数的弊端。

1稳定性与可靠性计算模型

在常规设计中，常用面积余量系数来作为工况不确定时或工艺参数浮动时的补偿措施[4，5]。但此方法不能确保当工艺参数变化及(如当流量、温度、污垢热阻)在有限的温度范围浮动时，所选换热面积余量仍在允许的范围内，更无法对有一定面积余量的换热器估算出工艺操作参数在允许的浮动范围内。由此引入了参数设计法，对高温热管换热器用稳健性目标函数进行优化设计，在工艺参数，如冷热流体的进口流量、进口温度独立变化以及污垢热阻相应浮动的情况下，使能够完成任务所需的换热面积、初投资回收期达到最小，并使面积裕量值以及过渡区与热管管内蒸汽温度在允许的范围之内[6]。

按三次设计的观点，要求望目特性Ｙ∈(1，1 25)，同时要求传热面积Ａ最小，传热系数Ｋ最大以保证投资回收期Ｎｐ最小，即表明Ａ属望小特性，Ｋ为望大特性，两者可用信噪比ηＡ、ηＫ、ηＹ来描述Ａ、Ｋ与Ｙ特性的稳健性能，用复合信噪比ηＹＡ、ηＹＫ来描述高温热管换热器的稳健性能，希望ηＹＡ越小越好，ηＹＫ越大越好。

状态下的体积流量为5000ｍ3/ｈ;热侧介质为烟气，进口温度850℃，出口温度200℃，标准状态下的体积流量为7120ｍ3/ｈ，同时选取表1中位级为2的一组数据作为初始设计条件。

(2)确定误差因素及水平表误差因素是指换热器在运行过程中，由于工艺参数的变化引起换热器性由于用到聚氨酯材料的枕头、床垫等厂商能波动的外干扰，如冷、热流体的进口流量和进口温度出现波动，导致管内蒸汽温度波动并偏离设计工况，使过渡区与热管处于不工作或非正常工作状态以及随运行时间的推移使污垢热阻增大，这些因素都将给高温热管换热器性能设计带来误差。设计中考虑误差因素是为了提高抗干扰能力，寻找性能稳定的换热器最佳结构。

高温热管换热器高温段热管一般选用钠、钾作为管内介质，其工作温度上限很高，大约1200℃[7]。对于通常的设计要求而言，热管管内蒸汽温度不会超出钠热管工作温度的上限，但受管材的限制，最佳工作温度限制在600～800℃。因此，要求烟气入口温度上限不超过950℃，下限不低于850℃。空气入口温度随季节变化，在15～25℃波动，通过上述分析得误差因素位级，见表2。

(3)内、外表设计用正交表安排可控因素水平组合，计算输出特性信噪比的设计称内设计，由于高温热管换热器结构优化影响参数有11个，每个因素有3个位级的选优问题，因此选用正交表Ｌ27(313)，将表1代入Ｌ27(313)得出27组不同的搭配。由内设计可知，高温热管换热器结构优化设计有27种方案，每一种方案都存在误差因素的干扰，则有27张Ｌ18(37×21)正交设计表作外表，安排5个误差因素。因此，操作工况的水平波动就由误差表模拟。

3优化计算结果分析

系统设计中涉及到大量的数据运算分析，需要套用几十个公式，查阅大量的物性表格，若用手工进行三次设计不仅工作量大、设计周期长及数据可靠性差，而且计算精度也十分有限。如不把设计转化为可计算项目，寻找优化设计方案将花费大量的时间和试验经费。而采用计算机先进技术手段实现将传统设计转化为可计算性项目的三次设计，不仅速度快、精确度高，而且在大幅度减少设计工作量的同时，还可以提高设计水平。因此，采用ＶＢ6.0编制高温热管换热器结构优化的三次设计程序。通过设计程序将内表与外表直积得到27组选优方案，然后以最小投资回收期最下为目标采用直接看的方法选定一组最佳方案。但是无法使面积裕量稳定在Ｙ∈(1，1 25)，因此需要根据级差的大小进行多轮方案选优，而每一次选优都要重新进行正交实验，导致计算周期长。文中在第一轮调优的基础上采用神经络方法快速调优，从而选择最佳方案。

3.1直接选优法

通过内表与外表直积法得到第一轮选优方案，从优选结果看，满足初投资回收年限最短，Ｎｐ=0 61ａ，同时满足高温热管换热器稳健性指标，即面积复合信噪比ηＹＡ=-11 22ｄＢ最小，传热系数复合信噪比ηＹＫ=63 26ｄＢ最大，此时高温热管换热器较好条件参数组合是:ｄｏ=25ｍｍ，ｌｆ=12ｍｍ，δｈｆ=1 6ｍｍ，δｃｆ=1 6ｍｍ，ｓｈｆ=1 6ｍｍ，ｓｃｆ=4ｍｍ，ｌｅ=1150ｍｍ，ｌｃ=1400ｍｍ，Ｓｔ=70ｍｍ，ｕｈ=2 5ｍ/ｓ，ｕｃ=2 5ｍ/ｓ。优化设计法冷流体侧阻力降341Ｐａ，热流体侧阻力降553Ｐａ。

常规设计得到的结构参数值:ｄｏ=38ｍｍ，ｌｆ=12ｍｍ，δｈｆ=1 6ｍｍ，δｃｆ=过剩的功能1 2ｍｍ，ｓｈｆ=16ｍｍ，ｓｃｆ=6ｍｍ，ｌｅ=1150ｍｍ，ｌｃ=1300ｍｍ，Ｓｔ=70ｍｍ，ｕｈ=2 5ｍ/ｓ，ｕｃ=2 5ｍ/ｓ。常规设计法冷流体侧阻力降8064Ｐａ，热流体侧阻力降5588Ｐａ。

优选法与常规设计法相比表明，直接选优法不仅减少了管排数，降低了换热器生产制造成本，同时也节省了换热实验数据由负荷传感器精确丈量器运行时的动力消耗，两种方法的比较结果见表3。

对高温热管换热器，由于管内蒸汽温度的不连续性，满足初投资回收年限最短的最佳参数组合方案，能否满足工艺参数波动条件下过渡段热管传热元件安全衔接是非常重要的考核指标。因此，将上述参数组合方案代入主程序，计算过渡段热管管内蒸汽温度，以确定高温热管换热器在正常操作条件下，过渡段热管元件是否处于非正常操作状态。计算结果见图1和图2，图中符号见表4。

由图1可以看出，在各种工况下，中、低温过渡段衔接都很好，只有少数热管元件管内蒸汽温度超热管元件处于非正常操作状态，这主要因为在热管换热器中采用小管径热管，虽提高了钠、钾热管的启动温度，但削弱了换热器内热管的传热能力，使得热流体从高温段进入到中温段时偏高，导致中温段热流进口处大部分热管管内蒸汽温度超过许用值而不能正常工作。因此，需在上述调优方案的基础上进一步调优，以保证过渡段热管元件安全运行。

3.2神经络参数设计选优方法

从上述分析看出，每进行一次调优，都需重新制定正交试验方案，甚至还需要开展多轮试验，即在第1轮最佳方案的基础上，再细化可控因素水平数做第2轮、第3轮乃至更多轮的试验。这样无疑增加了试验成本，延长了产品设计周期，此外参数设计的数据处理要运用大量的统计知识，试验结果的分析处理对设计人员也非易事。采用人工神经络(ＡＮＮ)与试验技术相结合的办法，可以很好地解决上述问题[8，9]。将第1轮直积表试验方案的试验(计算)结果作为ＡＮＮ的训练样本，以可控因素的具体可取值为输入，以信噪比ＳＮ为期望输出对ＢＰ络进行训练与学习。ＡＮＮ参数设计的计算过程框图见图3，图中包括输入层、隐层和输出层。各层神经元之间联结强度用联结权重Ｗｉｊ表示，“训练”就是按照实际输出最接近期望输出原则来修改Ｗｉｊ，即给定输入试验方案向量Ｘ及期望输出信噪比ＳＮ，然后对ＢＰ络进行训练，而后用各可控因素的可取参数值给予模拟仿真，从中确定最佳设计方案。

根据上述方法，将第1轮直积表试验方案的计算结果作为ＡＮＮ的训练样本。以可控因素的具体%N可取值作为输入层，以最小投资回收期、面积复合信噪比及传热系数复合信噪比为期望输出对络进行训练学习，得到最优参数组合:ｄｏ=38ｍｍ，ｌｆ=12ｍｍ，δｈｆ=2ｍｍ，δｃｆ=1 2ｍｍ，ｓｈｆ=16ｍｍ，ｓｃｆ=6ｍｍ，ｌｅ=1120ｍｍ，ｌｃ=1300ｍｍ，Ｓｔ=70ｍｍ，ｕｈ=2 5ｍ/ｓ，ｕｃ=2 5ｍ/ｓ。得到最小投资回收期为Ｎｐ=0 609ａ，ηＹＡ=-13 44ｄＢ，ηＹＫ=61 2ｄＢ。将其代入主程序计算过渡段热管管内蒸汽温度，计算结果见图4和图5。

过渡区域管内蒸汽温度分布

由图4和图5中可看出，高温热管换热器在变工况条件下，各过渡段只有少数热管元件管内蒸汽温度超过其许用值;高温段后几排热管内蒸汽温度趋于平缓，说明此处热管传热性能较差，主要因为管内蒸汽温度低于启动值。依据文献[10]，热管内部强化传热有利于提高换热器内热管的传热能力、稳定其传热性能，同时可以降低高温条件下管内蒸汽温度。因此，在过渡段采用强化管，可以合理优化过渡段管内外温度场，保证热管换热器长周期安全运行。一方面，在高温段热流体出口处降低了起动温度，使高温热管在低于起动温度的条件下提高其传热能力。另一方面，在中温段与低温段热流体入口，由于强化管管内蒸汽温度降低，可使其适应管外流体温度场在允许值以上工作，从而大大提高了高温热管换热器在变工况条件下安全可靠的稳定运行。

4结语以初投资回收年限最短为目标函数建立了高温热管换热器优化设计模型，采用参数设计法，对高温热管换热器冷热流体侧翅片间距、翅片厚度、管束横向管间距、冷热流体迎风流速、迎风面宽度、加热段与冷凝段长度进行最优参数组合研究，结果表明:

(1)在参数设计中运用正交试验设计是有效的，它能直接快速得到最优解，获得目标函数最佳时的优化设计参数，实现初投资回收年限最短的热管换热器结构参数的最佳组合。

(2)借助神经络的方法对优化结果进行了模拟仿真，从而确定最佳方案。为完善高温热管换热器结构优化设计提供了新的方法，不仅为今后高温热管换热器的设计带来了极大的方便，同时也提高了高温热管换热器设计制造的经济性。

(3)对各温度区域热管换热器进行了可靠性和稳定性设计研究，指出在过渡段采用强化管可大幅度提高高温热管换热器在变工况条件下的稳定性与可靠性。

(4)三次设计为优化组合提供了科学的、简便可靠的计算依据，克服了传统的单凭经验或有限的试验结果来确定设计参数的盲目性。

参考文献：

[1]韩之俊.三次设计[Ｍ].北京:机械工业出版社，1991.

[2]中国现场统计研究会三次设计组.可计算性项目的三次设计[Ｍ].北京:北京大学出版社，1985.

[3]钱祥生.三次设计新思路[Ｊ].液压气动与密封，1996，(2):50 53.

[4]毛西澜.换热器设计[Ｍ].上海:上海科学技术出版社，1988.

[5]范明舫.换热器最小面积的稳健性选型设计方法[Ｊ].中南工学院学报，1996，10(1):43 49.

[6]田口玄一.开发设计阶段的质量工程学[Ｍ].中国兵器工业质量管理协会译.北京:北京兵器工业出版社，1989.

[7]ＳＷＣｈｉ.ＨｅａｔＰｉｐｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅ[Ｍ].ＵＳ:Ｍｃｇｒａｗ Ｈｉｌｌ，1976.

[8]刘久富，王宁生，王凤岐.人工神经络在三次设计中的应用研究[Ｊ].机械制造，2002，40(7):33 34.(end)