繞管式換熱器在大型連續(xù)重整裝置中的應(yīng)用①

羅超華

(中海石油寧波大榭石化有限公司)

繞管式換熱器是一種高效緊湊型換熱器，目前多用于深冷裝置，如甲醇洗設(shè)備、空分設(shè)備和天然氣液化設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，90%的大型陸上天然氣液化工廠均采用了繞管式換熱器[1]。目前，連續(xù)重整裝置中的重整進(jìn)料換熱器大多采用的是板殼式換熱器和直管立式換熱器，然而板殼式換熱器可靠性差，易損壞；直管立式換熱器的換熱效率低，導(dǎo)致?lián)Q熱器熱端溫差大，回收熱量少，操作費用高[2]。近年來，繞管式換熱器已被逐漸應(yīng)用于連續(xù)重整裝置中，而繞管式換熱器能夠很好地解決上述問題。

1 繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點

繞管式換熱器是一種特殊的管殼式換熱器，主要由殼體、換熱管、芯部金屬管及墊條等組成，其剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在與管板相連的芯部金屬管上，以螺旋狀交替纏繞數(shù)層小直徑不銹鋼管，換熱管用墊條分隔，以保證管子之間的橫向和縱向間距，墊條與管子之間用管卡固定連接，換熱管與管板采用強度焊加貼脹的連接結(jié)構(gòu)，芯部金屬管在制造中起支承作用，因而要求具有一定的強度和剛度。

圖1 繞管式換熱器剖面結(jié)構(gòu)示意圖

繞管式換熱器的筒徑由纏繞管束的總體尺寸決定。在設(shè)計繞管時應(yīng)嚴(yán)格控制纏繞角度(一般為5～20°)、管層之間的距離、傳熱管軸向管間距、鄰層相鄰傳熱管間的切向距離及鄰層相鄰傳熱管的軸向相對距離等參數(shù)，以確保換熱器結(jié)構(gòu)合理緊湊[3]。

繞管可以采用單根繞制，也可以采用兩根或多根組焊后一起繞制。當(dāng)管程通入的介質(zhì)為單股時，稱單股流繞管式換熱器；當(dāng)管程通入多股介質(zhì)時則構(gòu)成多股流繞管式換熱器。為了使管程流體均勻分布，每個單管程通道通常采用等長管子制造，并且同一層上的繞管應(yīng)均勻布置。

繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了它具有不易結(jié)垢、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱管熱膨脹可自行補償、管內(nèi)操作壓力高及單位負(fù)荷金屬消耗少等優(yōu)點，而且容易大型化制造。繞管式換熱器的缺點主要是殼程清洗困難，因此只能用于介質(zhì)比較干凈的場合，另外繞管式換熱器只能豎直安裝，其下管板與管子間易產(chǎn)生晶間腐蝕而導(dǎo)致內(nèi)漏[4]，因此需要在選型和制造時予以避免。

2 換熱器的選型與應(yīng)用

在大型連續(xù)重整裝置中，重整進(jìn)料換熱器起著回收反應(yīng)出料熱量、提高混合進(jìn)料溫度、降低加熱爐負(fù)荷和產(chǎn)物空冷器負(fù)荷的作用，是裝置節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響整個企業(yè)的能耗指標(biāo)[5]。一旦重整進(jìn)料換熱器發(fā)生內(nèi)漏，原料會泄漏到產(chǎn)物中，導(dǎo)致芳烴產(chǎn)品質(zhì)量不合格，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。2009年，華錦石化公司首次將繞管式換熱器作為重整進(jìn)料換熱器并應(yīng)用于新投產(chǎn)的年產(chǎn)量50萬噸重整裝置中[2]，應(yīng)用結(jié)果表明繞管式換熱器熱端溫差27℃，總壓降68kPa，運行情況一直良好。上海石化公司年產(chǎn)量100萬噸的重整裝置進(jìn)料換熱器原采用板殼式換熱器，由于發(fā)生內(nèi)漏于2012年更換為繞管式換熱器，更換后其熱端溫差30℃，總壓降84kPa，運行情況良好。天津石化公司年產(chǎn)量80萬噸的重整裝置進(jìn)料換熱器原采用直管立式換熱器，由于換熱效果差于2012年更換為繞管式換熱器，更換后其熱端溫差36℃，總壓降74kPa，運行情況良好。

某公司年產(chǎn)量150萬噸的連續(xù)重整裝置屬于大型連續(xù)重整裝置，其重整進(jìn)料換熱器的工藝技術(shù)參數(shù)見表1。由于繞管式換熱器具有明顯的優(yōu)勢，且已有3個成功應(yīng)用案例，因此為了實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，該公司決定選用國產(chǎn)繞管式換熱器代替原重整進(jìn)料換熱器。繞管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 原重整進(jìn)料換熱器的工藝技術(shù)參數(shù)

表2 繞管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

該繞管式換熱器于2015年4月制造出廠，2016年5月投入運行，主要運行指標(biāo)與設(shè)計值以及與同規(guī)模板換的對比見表3。由表3可以看出，在100%運行負(fù)荷下，熱端溫差、管程壓差和殼程壓差都明顯優(yōu)于設(shè)計值，也優(yōu)于同規(guī)模的板換。由于熱端溫差比設(shè)計值小18℃，因此加熱爐的熱負(fù)荷明顯低于設(shè)計值，實際操作中加熱爐的瓦斯耗量明顯減少，24個火嘴只需投用16個即可達(dá)到工藝操作要求。按照重整進(jìn)料介質(zhì)比熱3.65kJ/kg·℃和重整裝置95%的平均加工負(fù)荷計算，節(jié)約熱量為3.65×225.572×0.95×18=14079MJ/h，按照瓦斯發(fā)熱量37.476MJ/kg和加熱爐熱效率92%計算，節(jié)約瓦斯量為14079÷37.476÷0.92=408kg/h。由于壓差較小，因此循環(huán)氫壓縮機的蒸汽耗量明顯低于設(shè)計值，3.5MPa蒸汽的實際耗量在22t/h左右，較設(shè)計值減少了5t/h。兩項合計節(jié)約827kg/h(標(biāo)油)，按照一年8 400h計算，一年可節(jié)省約6 947t標(biāo)油，節(jié)能降耗效果明顯。

表3 繞管式換熱器主要運行指標(biāo)與設(shè)計值

3 結(jié)束語

繞管式換熱器在大型連續(xù)重整裝置中作為重整進(jìn)料換熱器是成功的，其節(jié)能降耗效果顯著，能有效降低建設(shè)投資費用和操作費用，值得在同類裝置中大力推廣應(yīng)用。目前，更大型的重整裝置也逐漸開始采用繞管式換熱器作為重整進(jìn)料換熱器，可見繞管式換熱器具有巨大的市場應(yīng)用前景。

[1] 浦暉,陳杰.繞管式換熱器在大型天然氣液化裝置中的應(yīng)用及國產(chǎn)化技術(shù)分析[J].制冷技術(shù),2011,(3):26～29.

[2] 陳崇剛.連續(xù)重整纏繞管式換熱器的研制及工業(yè)應(yīng)

用[J].壓力容器,2011,28(5):41～47.

[3] 吳金星,李亞飛,張燦燦,等.繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)形式分析及應(yīng)用前景[J].壓力容器,2014,31(2):38～42.

[4] 都躍良,張賢安.纏繞管式換熱器的管理及其應(yīng)用前景分析[J].化工機械,2005,32(3):181～185.

[5] 孫曉娟,伍于璞,楊旭東,等.新型重整進(jìn)料換熱器的技術(shù)比較[J].煉油技術(shù)與工程,2010,40(8):47～49.