某真空烘烤项目设备选型计算

前言

托卡马克磁约束聚变装置中，真空技术的应用和发展为托卡马克各级真空室提供良好的真空环境及壁条件[1]，满足等离子体放电与装置高效运行的需求 [2]。本真空烘烤系统项目是针对真空室和偏滤器装置而设计的一套完整的热氮气循环烘烤系统。由于循环过程中氮气温度变化范围大，因此有巨大的能量优化利用空间 [3]。本文基于ASPENHYSYS 流程模拟软件对项目进行计算得到适合的设备参数 [4]，对设备选型具有理论指导作用。

1 真空烘烤工艺流程和参数

1.1 真空烘烤工艺流程

整个烘烤系统采用闭路循环方式，氮气（ 0.3MPa ）经循环压缩风机提升压力后（ 0.5MPa ），进入后置换热器降温到 40% ，经过回热器升温后再进入一级电加热器和二级电加热器升温到设定温度后进入真空室和偏滤器，真空室和偏滤器氮气出来后经过回热器降温进入前置换热器进一步降温至 40% ，回到循环压缩风机完成循环。系统循环流程图见图1。

1.2 真空烘烤工艺参数

烘烤系统有三种运行工况，工况一为系统设计工况，可将真空室和偏滤器烘烤到 300^cC （氮气温度 360% ），工况二为将真空室烘烤至 （氮气温度 170% ），偏滤器烘烤至 250^∘C （氮气温度 320% ），工况三为将真空室烘烤至 150^∘C （氮气温度 170% ），偏滤器烘烤至200% （氮气温度 250% ）。

2 仿真计算的边界条件

2.1 真空室及偏滤器热负荷

业主提供的项目调试数据负载入口氮气温度和负载热负荷之间的关系式为负载热负荷 Y=0.389X-7.1772（ R2=0.9915 ）。

2.2 压缩机出口温度

根据厂家反馈的资料，风机入口压力为 0.3Mpa （表压），入口温度为 40% ，出口压力为 0.5Mpa （表压）时，出口温度为 90% ，当风机入口压力为 0Mpa ，入口温度为 40% ，出口压力为 0.1Mpa 时，风机出口温度为 129^∘C 。

3 回热器整体换热系数确定

3.1 回热器工况参数分析

回热器功率与一二级电加热功率、真空室和偏滤器温度差值及前置换热器热负荷均有关联，故需要根据上述关系确定合适的功率（即、进出口温度）。上述变量之间的关系如下：

1）回热器热负荷越大，一二级电加热器功率越小，即能量总消耗越小。所以应尽可能提高回热器热负荷。

2）回热器热负荷越大，电加热器入口温度越高，电加热器入口温度不应高于真空室入口氮气温度。

3）结合两点，应在工况二下确定回热器整体换热系数。

3.2 回热器工况参数计算

根据上述分析，在工况二下设置一级电加热器功率为 1kw，计算出回热器热传递效率（UA）为

4 工艺流程仿真分析及设备选型结果

4.1 真空室流量 2kg/s 温度 、偏滤器流量 1.0kg/s 温度 360%

（工况一）

4.1.1 边界条件

真空室烘烤至 300^cC ，入口氮气温度为 ，偏滤器烘烤至300^∘C ，入口氮气温度为 360^∘C 。

4.1.2 关键参数计算结果

真空室流量 2kg/s 温度 360% 、偏滤器流量 1.0kg/s 温度 360^cC 工况下，后置换热器、回热器、电加热器一、电加热器二、前置换热器热负荷（kw）分别为 0、535、341、4、360kw。

4.2 真空室流量 2kg/s 温度 170% 、偏滤器流量 1.0kg/s 温度 320% （工况二）

4.2.1 边界条件

真空室烘烤至 150^∘C ，入口氮气温度为 170% ，偏滤器烘烤至 ，入口氮气温度为 320^∘C 。

4.2.2 关键参数计算结果

真空室流量 2kg/s 温度 170% 、偏滤器流量 1.0kg/s 温度 320^∘C 工况下，后置换热器、回热器、电加热器一、电加热器二、前置换热器热负荷（kw）分别为 1、215、39、165、 239kw 。

4.3 真空室流量 2kg/s 温度 170% 、偏滤器流量 1.0kg/s 温度 250^∘C （工况三）

4.3.1 边界条件

真空室烘烤至 150^∘C ，入口氮气温度为 170% ，偏滤器烘烤至200% ，入口氮气温度为 250^∘C 。

4.3.2 关键参数计算结果

真空室流量 2kg/s 温度 170% 、偏滤器流量 1.0kg/s 温度 250^∘C 工况下，后置换热器、回热器、电加热器一、电加热器二、前置换热器热负荷（kw）分别为 1、180、77、88、 225kw 。

4.4 设备选型结果

设备应同时满足三种运行工况的稳定运行，比较对比三种运行工况下后置换热器、回热器、电加热器一、电加热器二、前置换热器最大热负荷（kw）分别为 160、535、341、165、359kw。

考虑设备热效率和保留部分冗余功率，选择电加热器一电功率为400kw ，电加热器二电功率为 200kw 。回热器热负荷为 600kw ，前置换热器热负荷为 400kw ，后置换热器热负荷为 200kw 。

5 结论

本文对某真空烘烤项目进行理论分析，采用 ASPENHYSYS 流程模拟软件对工艺流程进行了模拟计算。分析发现回热器和电加热器、前置换热器、后置换热器具备关联关系，在满足稳定运行各工况下，尽量提高回热器负荷，回收真空室和偏滤器负载返回的氮气余热。模拟计算得到电加热器一电功率为 400kw ，电加热器二电功率为 200kw ，回热器热负荷为 600kw ，前置换热器热负荷为 400kw ，后置换热器热负荷为 200kw ，获得各设备详细的运行参数，为设备选型起到理论指导作用。

参考文献：

[1] 蔡强 , 贾瑞宝 , 蒙建朋 , 等 .HL-2M 装置真空烘烤控制系统概述 [J]. 核聚变与等离子体物理 ,2021,41(S1):377-382.

[2] 贾瑞宝 , 蒙建朋 , 曹诚志 , 等 .HL-2M 真空烘烤系统工程设计与介质流量分析 [J]. 核聚变与等离子体物理 ,2021,41(S1):383-387.

[3] 许婕 , 董方正 , 唐芳群 , 等 .HL-2A 装置真空室烘烤温度反馈控制系统设计 [J]. 核聚变与等离子体物理 ,2016,36(02):160-166.

[4] 孙兰义 . 过程模拟实训—AspenHYSYS 教程 [M]. 北京：中国石化出版社，2015.

作者简介：陈旭 (1996—)，男，河北省石家庄市，硕士研究生助理工程师，主要研究方向：医药化工工艺设计。