淺談某低溫罐區(qū)換熱器的選擇

方錦坤

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

淺談某低溫罐區(qū)換熱器的選擇

方錦坤

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655)

換熱器是低溫系統(tǒng)中重要組成部分，它的主要功能是利用外界熱量給低溫介質(zhì)加熱，以達(dá)到介質(zhì)安全、高效的外輸目的。本文針對(duì)某低溫罐區(qū)介紹換熱器的選擇。

換熱器；選擇；低溫

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的需求也隨之不斷增長(zhǎng)， 總體而言，我國(guó)是多煤少油少氣國(guó)家，能源對(duì)外依存度已經(jīng)超過(guò)六成，而海外能源一部分是通過(guò)陸路管道輸送至國(guó)內(nèi)，另外很大部分是通過(guò)海上運(yùn)輸，而低溫儲(chǔ)存運(yùn)輸具有體積小，能源密度大等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)大型低溫船舶，將國(guó)外的液化天然氣、液化石油氣、液化丙烷和液化丁烷等運(yùn)輸?shù)窖睾５蜏亟K端儲(chǔ)罐，然后利用低溫泵升壓后，通過(guò)低溫?fù)Q熱器將低溫介質(zhì)加熱至常溫液態(tài)或氣態(tài)，采用管道，陸路槽車(chē)，裝瓶，低溫船等方式輸配至其他用戶(hù)。

本文主要結(jié)合我國(guó)南方某臨海低溫丙烷罐區(qū)項(xiàng)目，介紹低溫罐區(qū)換熱器的選擇。

1 常用加熱器的形式

目前國(guó)際上采用的加熱方法有幾種，根據(jù)熱源的不同，可分為兩大類(lèi)：

(1) 使用自然熱源如：空氣、海水、淡水；

(2) 使用人工熱源如：燃?xì)?、熱水、蒸汽?/p>

使用自然熱源的氣化器的體積都很大，需要大量的熱流體，雖然它的投資巨大，但操作成本低。另外，由于體積過(guò)大或因冬季熱交換管結(jié)冰不能運(yùn)行，大中型低溫罐區(qū)很少用空氣做熱源，空氣僅適用于中小型的低溫罐區(qū)加熱，海邊地區(qū)大多用海水做為熱源，淡水資源豐富區(qū)域可采用淡水作為熱源；使用人工熱源的加熱器因可以使用高溫?zé)嵩矗辜訜崞鹘Y(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，但因消耗燃料氣、電或蒸汽，操作成本相對(duì)較高。

2 低溫罐區(qū)常用換熱器簡(jiǎn)介

目前，我國(guó)低溫罐區(qū)工程應(yīng)用中比較廣泛使用的有開(kāi)架式加熱器，浸沒(méi)燃燒式加熱器，水浴式加熱器，管殼式換熱器等。

2.1 開(kāi)架式加熱器

開(kāi)架式加熱器由一組內(nèi)部具有星形斷面，外部有兩條翅的鋁合金管組成，管內(nèi)有螺旋桿，以增加低溫流體的傳熱。管內(nèi)流低溫介質(zhì)，管外為噴淋的海水，為防止海水的腐蝕，管外鍍鋅。由于海水中懸浮固體對(duì)板面的沖刷磨損，開(kāi)架式加熱器版面的防腐涂層7～8年需重新噴涂一次，停車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)，維修成本較高[1]。

開(kāi)架式加熱器使用天然熱源海水，海水溫度比較穩(wěn)定，熱容量大，是取之不盡的熱源，因此操作費(fèi)用比較低，但對(duì)海水的品質(zhì)有一定要求。開(kāi)架式加熱器需要較高的投資，安裝費(fèi)用也很高。與浸沒(méi)式燃燒加熱器相比，開(kāi)架式加熱器是利用海水，操作消耗主要是海水泵的電耗，所以它的優(yōu)越點(diǎn)在于操作費(fèi)用很低，兩者之間的運(yùn)行費(fèi)用比為1：10[2]。

但這種加熱器的加熱能力，受氣候等因素的影響比較大，隨著水溫的降低，加熱能力下降。通常加熱器的進(jìn)口水溫的下限大約為5℃，開(kāi)架式加熱器見(jiàn)圖1。

2.2 浸沒(méi)燃燒式加熱器

浸沒(méi)燃燒式加熱器中燃料氣和壓縮空氣在加熱器的燃燒室內(nèi)燃燒，燃燒后的氣體通過(guò)噴嘴進(jìn)入水中，將水加熱。低溫介質(zhì)經(jīng)過(guò)浸沒(méi)在水中的盤(pán)管，由熱水加熱。

浸沒(méi)燃燒式加熱器結(jié)構(gòu)緊湊，占地少，水箱恒溫能適應(yīng)低溫介質(zhì)加熱量波動(dòng)及易于快速啟動(dòng)[3]，裝置的初始成本低。它使用了一個(gè)直接向水中排出燃?xì)獾娜紵?，由于燃?xì)馀c水直接接觸。燃?xì)饧ち业財(cái)噭?dòng)水，使傳熱效率非常高。水沿著加熱器的管路向上流動(dòng)，低溫介質(zhì)在管路中加熱，加熱裝置的熱效率在98%左右。適合于負(fù)荷突然增加的要求，可快速啟動(dòng)，并且能對(duì)負(fù)荷的突然變化作出反應(yīng)，可以在10%～100%的負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，適合于緊急情況或調(diào)峰時(shí)使用。

浸沒(méi)式燃燒加熱器優(yōu)越性在于整體投資和安裝費(fèi)用較低，與海水開(kāi)架式加熱器相比，外型較小，操作靈活。但是浸沒(méi)式燃燒加熱器的缺點(diǎn)是需要消耗約2%的燃料氣，故操作費(fèi)用高，浸沒(méi)燃燒式加熱器見(jiàn)圖2。

圖1 開(kāi)架式加熱器

圖2 浸沒(méi)燃燒式加熱器

2.3 水浴式加熱器

水浴式加熱器根據(jù)熱源不同，可分為熱水式、蒸汽加熱式、電加熱式等。其結(jié)構(gòu)為將導(dǎo)熱盤(pán)管放入熱水槽中，導(dǎo)熱管中的低溫介質(zhì)與熱水進(jìn)行熱交換，加熱至合適的溫度。

水加熱型加熱器的投資較大，但運(yùn)行費(fèi)用較低，操作和維護(hù)容易，比較適用于基本負(fù)荷型的低溫介質(zhì)系統(tǒng)。但這種加熱器的加熱能力，受氣候等因素的影響比較大，隨著水溫的降低，加熱能力下降。通常加熱器的進(jìn)口水溫的下限大約5℃。與浸沒(méi)式燃燒加熱器相比，需增設(shè)鍋爐、循環(huán)水泵等設(shè)備，操作費(fèi)用較之高。如果附近配套有電廠，電廠有大量的循環(huán)熱水，為了能充分利用低溫位熱源，并減少項(xiàng)目投資，采用循環(huán)熱水作為熱源，加熱器可選循環(huán)熱水水浴式加熱器，那樣設(shè)置比較經(jīng)濟(jì)合理，水浴式加熱器見(jiàn)圖3。

2.4 管殼式換熱器

管殼式換熱器又稱(chēng)列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。

圖3 水浴式加熱器

管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板(擋板)和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱(chēng)為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱(chēng)為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板，擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列則管外清洗方便，適用于易結(jié)垢的流體。

這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)便宜，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料(主要是金屬材料)制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣泛的一種換熱器。熱源可采用蒸汽，熱水，循環(huán)水，淡水等，可采用普通的碳鋼或低溫碳鋼材料，造價(jià)便宜，管殼式換熱器見(jiàn)圖4。

圖4 管殼式換熱器

3 結(jié)論

本項(xiàng)目為丙烷、LPG和丁烷的低溫常壓罐區(qū)，均在低溫下儲(chǔ)存，最低溫度可達(dá)-43℃(丙烷)，外輸時(shí)約需要加熱至5℃左右，需要大量的熱源，因此選擇合適的換熱器和加熱熱源，對(duì)本項(xiàng)目的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)成本起著非常重要的影響。

本項(xiàng)目地處南方沿海地區(qū)以及江河出海口位置，屬亞熱帶海洋性氣候，季風(fēng)盛行，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，高溫多雨，干濕分明。年平均氣溫為22.3℃，月平均最高氣溫：27.9℃，月平均最低氣溫：13.8℃。

上面已經(jīng)簡(jiǎn)單介紹了4種在低溫罐區(qū)中常用的，在實(shí)際項(xiàng)目中有可靠工業(yè)化應(yīng)用的換熱器，對(duì)于本項(xiàng)目而言，前面3種換熱器都有著明顯的缺點(diǎn)：開(kāi)架式加熱器需要采用海水進(jìn)行加熱，由于海水的腐蝕性，加熱器需要采用特殊的材料，如鋁合金或者鈦合金等，體積龐大，建造價(jià)格昂貴，投資費(fèi)用高；浸沒(méi)燃燒式加熱器需要消耗2%的燃料氣，故操作費(fèi)用很高；水浴式加熱器需要用熱水加熱，增設(shè)鍋爐、循環(huán)水泵等設(shè)備，建設(shè)和操作費(fèi)用也高。

綜合考慮，本低溫罐區(qū)決定采用管殼式換熱器，利用淡水(江水/消防水)作為熱源加熱，考慮到該罐區(qū)位于江河的入?？?，江水泥沙含量高，而且離海太近，江水也有一定腐蝕作用，故考慮采用本項(xiàng)目的消防水作為熱源加熱，本項(xiàng)目的消防水總量約為16000m3，結(jié)合本項(xiàng)目的加熱方案，擬建設(shè)2臺(tái)8000m3的消防水罐用于儲(chǔ)存庫(kù)區(qū)和碼頭的消防水，這兩個(gè)罐中的水平時(shí)也作為C3加熱的介質(zhì)使用。這樣本罐區(qū)的換熱器可采用普通的低溫碳鋼制作，價(jià)格低廉，不需單獨(dú)設(shè)置鍋爐房等加熱設(shè)置，降低建設(shè)成本，充分挖掘罐區(qū)的配套設(shè)施潛力。在冬天的時(shí)候，由于平均溫度只有13.8℃，如果熱量不足，可考慮引入附近廠區(qū)低壓蒸汽對(duì)消防水進(jìn)行輔助加熱，可考慮在低溫介質(zhì)換熱器回水處加設(shè)一個(gè)普通的碳鋼管殼式換熱器，根據(jù)具體情況給低溫介質(zhì)加熱后的消防水進(jìn)行加熱。

低溫罐區(qū)換熱器的選擇是個(gè)系統(tǒng)工程，要充分考慮設(shè)備投資，運(yùn)營(yíng)成本，項(xiàng)目的配套設(shè)施等因素，因地制宜，合理配置，已達(dá)到最優(yōu)化配置。

[1] 張 韶.粵東LNG汽化器ORV的方案選擇技術(shù)要素的分析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(24):4-5.

[2] 裘 棟.LNG項(xiàng)目氣化器的選型[J].化工設(shè)計(jì)， 2011, 21(4):19-22.

[3] 陳 軍，孔令廣.浸沒(méi)燃燒式汽化器的分析優(yōu)化[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2012(4):55-57．

(本文文獻(xiàn)格式：方錦坤.淺談某低溫罐區(qū)換熱器的選擇[J].山東化工，2017，46(06)：89-91.)

Selection of Heater for One Cryogenic Terminal

FangJinkun

(HQCEC(GuangYe)Co.,Ltd.,Guangzhou 510655,China)

Heater is a significant part for low temperature system. Its main function is hotting up cryogenic medium by using outsing quantity of heat.In order to transport the medium in safe and effect way. This paper aim at one cryogenic terminal to introduced the selection of heater.

heater; selection；cryogenic

2017-02-13

方錦坤(1984—)，廣西人，大學(xué)本科，主要從事化工、環(huán)保及天然氣工程設(shè)計(jì)工作

TQ113.25+1.5

B

1008-021X(2017)06-0089-03