新型U形管板式與傳統(tǒng)盤管式天然氣加熱器對比分析

(江蘇特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 無錫分院， 江蘇 無錫 214023)

天然氣加熱器( natural gas heater,NGH)是天然氣生產(chǎn)輸送的重要設(shè)備之一，其安全性能和使用性能的高低直接關(guān)系到整套設(shè)備的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)正常運行[1-2]。生產(chǎn)過程當中，如有NGH發(fā)生泄漏等故障，熱水則進入循環(huán)系統(tǒng)中，將會產(chǎn)生燃燒不完全、腐蝕管路及器具等不良后果，輕則導(dǎo)致停車檢修，影響正常生產(chǎn)，重則因其易爆特性易引發(fā)生產(chǎn)安全問題[3-4]。因此，提高NGH的使用性能和安全性對天然氣行業(yè)來說有著重要的意義。

傳統(tǒng)盤管式NGH在使用初期狀況良好，但在設(shè)備的長期使用過程中，將會出現(xiàn)啟動時間長、加熱效率低、維修周期長以及泄漏等問題[5]。因此，近年來越來越多的公司和機構(gòu)致力于改良傳統(tǒng)盤管式NGH以提高其安全性和使用性能。無錫特萊姆氣體設(shè)備有限公司致力于工業(yè)氣體和燃氣行業(yè)的各類(燃氣)設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)，長期為天然氣行業(yè)客戶提供傳統(tǒng)盤管式NGH。2011年，公司設(shè)計開發(fā)了一種新型U形管板式NGH，文中對此進行了詳細介紹，以供同行借鑒。

1 傳統(tǒng)盤管式NGH

1.1 發(fā)展歷史

傳統(tǒng)盤管式NGH從20世紀80年代出現(xiàn)迄今有30多年的歷史[6]，最初主要應(yīng)用于大型天然氣液化工廠的空氣分離裝置、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。隨著天然氣行業(yè)近10 a來的蓬勃發(fā)展，盤管式熱交換器也被廣泛地應(yīng)用在天然氣處理領(lǐng)域。

1.2 結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

傳統(tǒng)盤管式NGH結(jié)構(gòu)示意見圖1，其中的加熱器蛇形管部分見圖2。

1.檢查人孔1 2.NG進口 3.換熱管 4.殼程筒體 5.出水口 6.NG出口 7.檢查人孔2 8.殼程封頭 9.裙座 10.進水口圖1 盤管式NGH主要結(jié)構(gòu)示圖

圖2 盤管式NGH蛇形管

傳統(tǒng)盤管式NGH為二類容器，設(shè)計壽命20 a，單臺質(zhì)量30 t，換熱面積750 m2,其筒體規(guī)格(外徑×厚度×長度)?2 800 mm×12 mm×9 600 mm，殼程材質(zhì)S30408，符合文獻[7]的要求。換熱管的規(guī)格(外徑×厚度)為?25 mm×2 mm，其材質(zhì)為06Cr19Ni10，符合文獻[8]要求。傳統(tǒng)盤管式NGH主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.3 主要特點

1.3.1優(yōu)點

殼體熱水容量大，如果碰到斷水或供水不足這類極端情況，其換熱時間相對較長，可保證設(shè)備不易結(jié)冰。

殼體頂部有供檢修人員進入殼體檢查和維修的人孔，此維修只能是現(xiàn)場的初步檢查和維修。

1.3.2缺點

(1)制造工藝繁雜且安裝、檢修成本高 ①傳統(tǒng)盤管式NGH內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而在制定組裝工藝時，需要對特殊部分逐一進行試驗性驗證，確保驗證合格后方能制定組裝工藝，并用于生產(chǎn)制造。②傳統(tǒng)盤管式NGH不能像U形管加熱器那樣進行穿管裝配，需要先進行組屏，并且按照序號進行裝配[9]。③焊接在設(shè)備制造周期內(nèi)占有最大的比例。傳統(tǒng)盤管式NGH換熱管為蛇形小繞管設(shè)計，每一個繞管上約有50個焊縫，且這些焊縫全部為手工焊接，這不僅增加了設(shè)備制造過程中的工藝難度，更耗時耗力，使得裝配周期超過40 d。④整體水壓試驗后在蛇形管的局部會形成水聚集。為了避免由此引起的腐蝕，采用了高壓熱空氣對蛇形管進行吹掃[10]。

(2)體積大、占用較大空間且安裝難度高 ①傳統(tǒng)盤管式NGH進、出口的管口為非水平設(shè)置且離地面很高，與總管相連接用管很多，而且出水管的管口位置也較高。因此，在安裝過程中需要借助吊車等設(shè)備，由此增加了人工費和材料費。②在安裝準備工作中，對基礎(chǔ)土建要求較高，無論是基礎(chǔ)縱深還是占地面積都比新型管板式NGH要大得多。

(3)檢修成本較高 ①傳統(tǒng)盤管式NGH附帶的安全閥需要每年校驗，而且由于加熱器高度太高，每次校驗均需調(diào)用吊車把人吊上去才能拆下進行檢修。②傳統(tǒng)盤管式NGH結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，發(fā)生故障后現(xiàn)場維修可操作性低，必須整體拆卸后返廠維修。返廠后，查找漏點較為困難，外加后續(xù)維修時間，一般總的維修時間至少需要20 d。此外，返廠維修拆卸與運輸需要大型吊車和運輸車，費用也會由此增加不少。

(4)穩(wěn)定運行周期短且安全隱患高 ①傳統(tǒng)盤管式NGH體積大，相應(yīng)的內(nèi)部空間也大。設(shè)備啟動時，熱水進入筒體會耗費更多的時間，一般需要30～40 min才能正常工作。②內(nèi)部空間太大帶來的的另一問題是加熱、保溫成本更高，實際的換熱面積與龐大的體積相比來說并不大。③受蛇形管自身結(jié)構(gòu)的限制，殼程介質(zhì)流速不高。相對直管而言，盤管式結(jié)構(gòu)管程介質(zhì)流速低，管內(nèi)摩阻能量損失高，壓降大且效率低。④傳統(tǒng)盤管式NGH在生產(chǎn)運行過程中易發(fā)生泄漏問題，造成泄漏的原因有熱應(yīng)力、管束振動、焊接缺陷和管接頭受到?jīng)_刷等[11-12]。⑤在實際操作生產(chǎn)中，管殼程介質(zhì)之間存在一定的溫差(約240 ℃)，各換熱管之間也存在著較大的溫差。此外，設(shè)備操作溫度周期性發(fā)生較大幅度的變化以及處于間歇操作工況下的反復(fù)加壓、升溫和卸壓、降溫過程中造成的熱脹冷縮會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力和焊縫應(yīng)力，從而引發(fā)裂紋[13]。⑥換熱過程存在物相變化。盤管式結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間流體流動過程中會形成局部湍流，流體介質(zhì)會對管件焊縫部位產(chǎn)生沖擊和沖刷，容易造成焊縫損傷。⑦繞管上手工焊縫的焊接質(zhì)量不易掌控，容易形成焊接殘余應(yīng)力。大量的現(xiàn)場調(diào)查也發(fā)現(xiàn)換熱管裂紋都發(fā)生在焊縫及焊縫熱影響區(qū)[14]。

2 新型U形管板式NGH

2.1 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)

新型U形管板式NGH改變了傳統(tǒng)加熱器換熱管的結(jié)構(gòu)形式，選用了直管換熱管，使得結(jié)構(gòu)更加簡單實用。新型U形管板式NGH技術(shù)參數(shù)與傳統(tǒng)盤管式NGH相同，其筒體規(guī)格(內(nèi)徑×厚度×長度)為?1 800 mm×18 mm×800 mm，U形換熱管規(guī)格為(外徑×厚度×長度)?25 mm×2 mm×16 000 mm，材質(zhì)為符合文獻[8]中相關(guān)要求的06Cr19Ni10。單臺新型U形管板式NGH換熱面積280 m2,質(zhì)量9 t，設(shè)計壽命20 a，其主要結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

分析表1、圖1與圖3可知：①在保證生產(chǎn)要求的前提下，新型U形管板式NGH外形更小，質(zhì)量也更小。②新型U形管板式NGH相對的換熱面積增大，提高了換熱效率。③在滿足相應(yīng)工藝前提下，新型U形管板式NGH直徑僅為0.816 m，高度為9.54 m，質(zhì)量僅僅為9 t，具有一定的優(yōu)勢。④采用了立式結(jié)構(gòu)使得U形管能夠消除一定的熱應(yīng)力，無需設(shè)置膨脹節(jié)。⑤管程入口介質(zhì)為液態(tài)天然氣，管程出口介質(zhì)為氣態(tài)天然氣，殼程介質(zhì)為水，無相變。

2.2 主要特點

2.2.1工藝流程簡潔高效

工藝的簡化使得新型U形管板式NGH的生產(chǎn)周期大幅縮短。首先得益于U形換熱管不需進行組拼，管上無焊接接口，穿管裝配管束簡化了焊接過程，而且焊縫焊接摒棄了手工焊接，采用自動焊接，提高了焊接的效率，保證焊接的質(zhì)量。U形管不存在積液問題，水壓試驗后無需進行吹掃，簡化了試驗過程。換熱管、管板及大法蘭均采用 S30408 無縫不銹鋼材質(zhì)，避免了因材料多樣而帶來的加工復(fù)雜和焊接難的問題。外形小使得保溫層包覆時間變短。安全附件(安全閥等)可靠性高，無需每年校檢。

2.2.2換熱效率高且運行穩(wěn)定

新型U形管板式NGH采用前端封頭管箱的結(jié)構(gòu)形式，橢圓封頭受力良好，流體進、出口采用上、下布置，不會對管接頭造成直接沖刷，有利于液體介質(zhì)排除。后端采用了U形管束的結(jié)構(gòu)形式，即由1塊管板固定多根U 形管的管束結(jié)構(gòu)，換熱管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮[15]。因此，當殼體與換熱管存在溫差時，不會有熱應(yīng)力產(chǎn)生[16]。U形管與管板的焊接結(jié)構(gòu)也有效解決了管束振動對焊縫的損傷問題。換熱管的無焊縫性能使得換熱管與管板的焊接、殼體焊縫的焊接也全部可以采用自動焊接，有效地保證了相關(guān)焊接的質(zhì)量，解決了設(shè)備易泄漏的問題。新型U形管板式NGH不僅換熱效率較高，而且空間利用率也較高，設(shè)備單位質(zhì)量的換熱面積是盤管式NGH的1.24倍，單位體積的換熱面積是傳統(tǒng)盤管式NGH的2.25倍。新型U形管板式NGH提高了殼程熱水流速，管程介質(zhì)壓降極小，由此不僅保證了換熱效率，而且還降低了設(shè)備運行能耗和壓降大引起的設(shè)備故障率。

2.2.3制造、安裝與檢修成本低

新型U形管板式NGH外形小的特點使得保溫成本降低[17]。改進后的加熱器工藝程序簡潔，制造周期僅為25 d左右，比傳統(tǒng)加熱器減少了大約15 d，在一定程度上降低了成本。設(shè)備質(zhì)量的減輕意味著承重的減小，由此使得基礎(chǔ)土建成本比傳統(tǒng)盤管式NGH減少50%左右。設(shè)備占地面積比常規(guī)設(shè)計小很多，節(jié)省了較多的空間和場地。天然氣進、出口的管口設(shè)計為水平設(shè)置且距離地面很近，與總管連接用管很少，而且出水管的管口位置也較低。這些管路的安裝無需吊車吊裝人員和設(shè)備，節(jié)省了一定的人工費和材料費。外接管道的安全閥不需要校驗。管板式加熱器可現(xiàn)場拆卸及維修，放水時間短至5 min，不需要拆卸燃氣管路，只需拆上部筒體即可進行維修?，F(xiàn)場維修費用降低許多，不僅極大縮短了因返廠維修浪費的大量時間，保證了設(shè)備盡快投產(chǎn)使用，還降低了設(shè)備吊裝、運輸所需的費用。

3 結(jié)語

新型U形管板式NGH不僅比傳統(tǒng)盤管式NGH節(jié)約40%的成本，而且具有加熱效率高、能耗低以及檢修快速方便等一優(yōu)點，已大量投入制造和現(xiàn)場使用，并在生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的效果，得到了廣大外資公司和燃氣公司的一致好評。

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