繞管式換熱器在天然氣處理中的應(yīng)用淺析①

王楚琦 馬 穎

(1.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司)

(2.中國石油集團(tuán)測井有限公司國際事業(yè)部)

繞管式換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊的高效換熱器，具有可承受高壓、換熱效率高、端面換熱溫差小(低于2 ℃)等特點(diǎn)，最初主要應(yīng)用于大型天然氣液化工廠、空氣分離裝置、大化肥合成氨裝置及天然氣凝液回收裝置等，取得了良好的換熱效果。因此，近年來逐漸推廣應(yīng)用至天然氣處理工藝。然而，該換熱器應(yīng)用于天然氣處理工藝時(shí)出現(xiàn)了凍堵及換熱效率低的問題，通過對(duì)繞管式換熱器結(jié)構(gòu)及其在天然氣處理工藝中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，提出繞管式換熱器在天然氣處理工藝應(yīng)用中的幾點(diǎn)建議，可為繞管式換熱器的發(fā)展應(yīng)用和天然氣處理工藝設(shè)備的選擇提供一定的參考。

1 繞管式換熱器的特點(diǎn)及維護(hù)

繞管式換熱器的特殊結(jié)構(gòu)使其具有高效的傳熱性能，但同時(shí)也帶來了不易維護(hù)的問題。

1.1 繞管式換熱器的特點(diǎn)

按傳熱原理劃分，繞管式換熱器是一種間壁式管式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。繞管式換熱器主要由芯筒、換熱管和外筒組成，分為管程和殼程。管程空間指換熱管內(nèi)部空間。換熱管通常采用直徑為8～25 mm的小管徑管材，并以螺旋線形交替纏繞在芯筒上。為了提高換熱系數(shù)，每層換熱管的纏繞方向均與相鄰層相反，并由墊條和管卡分隔固定。殼程空間指外筒與換熱管和芯筒之間形成的環(huán)形空間[1-3]，被換熱管纏繞層分隔成間距僅為1～2 mm的狹小空間。管程和殼程空間的有效流通面積可通過改變換熱管纏繞層數(shù)進(jìn)行調(diào)整[4]。

按照繞管式換熱器管程通過介質(zhì)種類的數(shù)量可分為單通道繞管式換熱器和多通道繞管式換熱器。管程內(nèi)流通為單一介質(zhì)即單通道繞管式換熱器；若需換熱器同時(shí)對(duì)多種介質(zhì)換熱可采用多通道繞管式換熱器，換熱后的介質(zhì)匯集在各自的管板上[5]。

繞管式換熱器的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，特殊的換熱管排列纏繞方式使其單位容積具有較大的傳熱面積，當(dāng)換熱管直徑為8～12 mm時(shí)，其傳熱面積可達(dá)100～170 m2/m3[6]。繞管式換熱器可承受高壓介質(zhì)的換熱，換熱管內(nèi)的操作壓力最高可達(dá)21.56 MPa[3]。除此之外，熱膨脹能夠自行補(bǔ)償，可用于換熱溫度范圍較寬的工況，其端面換熱溫差可達(dá)2 ℃，換熱效率高。

1.2 繞管式換熱器的維護(hù)

繞管式換熱器采用的撬裝化設(shè)計(jì)雖然方便安裝但不易維護(hù)。正常情況下，其使用壽命為12～20年，由于維護(hù)不當(dāng)可導(dǎo)致部分在役設(shè)備損壞而提前更換。從繞管式換熱器損壞原因統(tǒng)計(jì)中可知，除垢不當(dāng)是造成換熱器損壞的主要原因，其幾率高達(dá)50%[3]。

目前，繞管式換熱器維護(hù)的主要工作是除垢，具體分為兩種情況：當(dāng)結(jié)垢情況不是很嚴(yán)重時(shí)采用高壓水槍沖洗法；當(dāng)堵塞嚴(yán)重時(shí)則采用酸清洗法。高壓水槍清洗法操作相對(duì)簡單，酸清洗法操作較為復(fù)雜。5%(w)HCl溶液、硝酸、氫氟酸及檸檬酸是常用的酸洗液[7]。碳鋼采用HCl溶液清洗，不銹鋼主要采用氫氟酸及檸檬酸清洗。在清洗換熱器時(shí)應(yīng)遵循多次少停留的辦法，對(duì)換熱器進(jìn)行多達(dá)5～6次的酸洗，每次沖洗時(shí)間盡可能短，并且沖洗干凈，確保殘留在換熱器中的Fe3+不超標(biāo)[5]，酸洗液排放干凈,從而避免引起腐蝕。

繞管式換熱器價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長，損壞后更換至少需要半年時(shí)間，將影響正常生產(chǎn)進(jìn)度。因此，正確使用除垢清洗技術(shù)，制定合理的清洗工藝方案對(duì)換熱器的使用壽命非常重要。

2 繞管式換熱器在天然氣處理中的應(yīng)用

由于具有較高的換熱系數(shù)和良好的換熱效果，繞管式換熱器開始應(yīng)用于天然氣工業(yè)。

2.1 應(yīng)用情況

早期，在大型天然氣液化工廠、空氣分離裝置、大化肥合成氨裝置及天然氣凝液回收裝置等場所嘗試使用繞管式換熱器，取得了不錯(cuò)的換熱效果[8-10]。近年來，開始逐步推廣應(yīng)用至天然氣處理工藝中，新疆和四川等地氣田的天然氣處理廠中均有應(yīng)用實(shí)例。輪南、吉拉克、桑南等氣田的天然氣處理工藝為分子篩脫水的低溫深冷天然氣凝液回收工藝，其凝液回收(脫烴)裝置采用繞管式換熱器為原料氣與冷干氣、凝液等介質(zhì)換熱；克拉美麗及瑪河氣田的天然氣處理工藝為低溫分離工藝，采用繞管式換熱器作為原料氣預(yù)冷器。

2.2 實(shí)例分析

繞管式換熱器作為高效節(jié)能換熱設(shè)備，應(yīng)用于天然氣處理工藝中理應(yīng)達(dá)到良好的換熱效果，但并非所有的實(shí)際工程應(yīng)用中都能達(dá)到理想的效果。以克拉美麗天然氣處理廠為例，分析繞管式換熱器作為原料氣預(yù)冷器在實(shí)際工程中出現(xiàn)的問題。克拉美麗天然氣處理廠處理規(guī)模為300×104m3/d，共設(shè)有兩套天然氣處理裝置(單套裝置處理能力為150×104m3/d)。天然氣處理采用注乙二醇防止水合物、節(jié)流降壓的低溫分離脫水脫烴工藝，其脫水脫烴單元流程如圖2所示。集氣站所來氣、液進(jìn)入生產(chǎn)分離器進(jìn)行分離，分離出的天然氣經(jīng)過計(jì)量后注入乙二醇，進(jìn)入原料氣預(yù)冷器與冷干氣換熱預(yù)冷后，再次注入乙二醇降低天然氣水合物生成溫度，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行分離，分出的冷干氣經(jīng)過原料氣預(yù)冷器后計(jì)量并調(diào)壓外輸。

脫水脫烴工藝單元中原料氣預(yù)冷器采用繞管式換熱器，運(yùn)行時(shí)原料氣走殼程，冷干氣走管程。在2009年投產(chǎn)初期，裝置運(yùn)行效果良好。隨著累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的增加，原料氣預(yù)冷器開始出現(xiàn)凍堵，原料預(yù)冷器凍堵情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可知，從2011年11月開始，原料氣預(yù)冷器開始出現(xiàn)頻繁的凍堵，嚴(yán)重影響天然氣處理廠的正常運(yùn)行。

根據(jù)脫水脫烴工藝單元的物料和能量平衡，用HYSYS模擬計(jì)算克拉美麗天然氣處理廠原料氣預(yù)冷器的換熱性能[11]，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，克拉美麗天然氣處理站采用的繞管式換熱器換熱效果不理想，熱端溫差較大(平均為14 ℃)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理想的2 ℃，傳熱系數(shù)也較低(約80 W/(m2·℃))，原料氣經(jīng)換熱器預(yù)冷后的出口溫度偏高。

繞管式換熱器在克拉美麗天然氣處理廠運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了以下問題。

2.2.1凍堵

通過對(duì)繞管式換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析可知，其殼程空間由換熱管纏繞層分割成許多間距只有1～2 mm的狹小空間，注入乙二醇貧液的原料氣進(jìn)入殼程空間后難以與乙二醇貧液繼續(xù)均勻混合，易產(chǎn)生分離。隨著氣體溫度的下降，將有水合物形成并從原料氣中析出，從而造成凍堵。

2.2.2熱端溫差過大

克拉美麗天然氣處理廠凝析油物性如表3所示。檢修時(shí)在低溫分離器絲網(wǎng)層上發(fā)現(xiàn)有一定量的蠟沉積，可以判斷克拉美麗天然氣處理廠的原料氣中含有蠟。

在降溫過程中，重組分析出并聚集在換熱器底部形成液位，減小了有效換熱面積，從而造成換熱面積不足。原料氣中的蠟沉積現(xiàn)象使換熱管表面結(jié)垢，增大了原料氣預(yù)冷器的熱端溫差，從而導(dǎo)致原料氣殼程出口溫度在5～6 ℃，高于殼程溫度設(shè)計(jì)值-5～0 ℃，達(dá)不到應(yīng)有的換熱效果。

表1 原料氣預(yù)冷器凍堵情況統(tǒng)計(jì)

表2 原料氣預(yù)冷器換熱性能分析

表3 凝析油物性表

3 對(duì)繞管式換熱器應(yīng)用的建議

傳統(tǒng)天然氣處理工藝中，原料氣預(yù)冷器首選固定管板式換熱器，換熱效果穩(wěn)定，易清洗。但作為高效換熱設(shè)備，繞管式換熱器若成功應(yīng)用至天然氣處理工藝必然更有利于節(jié)約能耗和控制烴、水露點(diǎn)。根據(jù)繞管式換熱器和天然氣處理工藝的特點(diǎn)，為保證處理裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)繞管式換熱器的使用提出以下建議。

3.1 根據(jù)氣質(zhì)條件確定換熱器物流安排

繞管式換熱器殼程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易清洗，應(yīng)通過較為潔凈的介質(zhì)；管程承壓能力較高，走高壓介質(zhì)可節(jié)省設(shè)備制造費(fèi)用。同時(shí)，在物流安排時(shí)應(yīng)結(jié)合具體的氣質(zhì)條件、設(shè)計(jì)及操作要求，以達(dá)到提高傳熱系數(shù)、方便設(shè)備維護(hù)和減小壓降等目的。

3.2 嚴(yán)格控制原料氣雜質(zhì)含量

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，繞管式換熱器對(duì)通入介質(zhì)的潔凈度要求較高，需控制介質(zhì)中的雜質(zhì)含量[12]。當(dāng)原料氣中可能含有固體顆粒雜質(zhì)時(shí)，若選用繞管式換熱器，推薦在原料氣入口段設(shè)置氣體過濾裝置，防止粗顆粒雜質(zhì)進(jìn)入換熱器，可在一定程度上保證原料氣的潔凈度，避免出現(xiàn)換熱器堵塞。

3.3 根據(jù)不同的天然氣組分慎重選用

不同氣田產(chǎn)出的天然氣組分差別較大，當(dāng)天然氣中含有較多重組分或蠟質(zhì)時(shí)，需慎重選用繞管式換熱器。凝析油析出后停留在換熱器內(nèi)形成積液，使有效換熱面積減小；蠟質(zhì)析出后在層間的支撐件和換熱管壁上粘附，容易造成換熱管堵塞并降低傳熱效率。

3.4 防凍劑注入應(yīng)均勻

繞管式換熱器的換熱管直徑很小，不利于防凍劑的擴(kuò)散。因此，需注意防凍劑注入裝置的選擇和安裝。必須通過噴射試驗(yàn)調(diào)整注入位置使防凍劑均勻地注入換熱管內(nèi)，和原料氣進(jìn)行充分混合。

3.5 做好清洗和維護(hù)工作

繞管式換熱器的損壞常因清洗不當(dāng)造成，因此，清洗和維護(hù)工作十分重要。繞管式換熱器清洗程序復(fù)雜，對(duì)維護(hù)工人的要求較高，應(yīng)從管理方面引起重視，制定相應(yīng)的操作、維護(hù)手冊(cè)，并進(jìn)行人員培訓(xùn)。

4 結(jié) 語

繞管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高的特點(diǎn)，但其清洗和維護(hù)工作相對(duì)復(fù)雜。在天然氣處理工藝中的應(yīng)用出現(xiàn)了初期換熱效果良好，中期發(fā)生凍堵及換熱效率低的情況。為保證天然氣處理工藝的安全平穩(wěn)運(yùn)行，針對(duì)這一問題提出以下繞管式換熱器的應(yīng)用建議，以期最大限度地發(fā)揮繞管式換熱器高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

(1) 根據(jù)氣質(zhì)條件確定換熱器物流安排。

(2) 嚴(yán)格控制原料氣中雜質(zhì)含量。

(3) 根據(jù)不同的天然氣組分慎重選用。

(4) 防凍劑注入應(yīng)均勻。

(5) 作好換熱器的清洗和維護(hù)工作。

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