雙管束熱交換器設(shè)計條件優(yōu)化

(惠生工程(中國)有限公司北京設(shè)計中心， 北京　100102)

雙管束熱交換器主要由一個殼體和兩組管束組成，兩組管束上下配置，共用一個殼體。雙管束熱交換器的熱交換過程涉及3種流體，分別是下方管束中的熱流體、 上方管束中的冷流體和殼體中的中間換熱介質(zhì)。雙管束熱交換器運行時，熱流體首先傳熱給中間換熱介質(zhì)，中間換熱介質(zhì)受熱氣化后上升至殼體上方空間，與冷流體進行二次換熱，中間換熱介質(zhì)受冷凝結(jié)后下降重返下部液相中，如此不斷形成換熱循環(huán)[1-3]。雙管束熱交換器兼具占地面積小和設(shè)備投資成本低的優(yōu)點，在化工領(lǐng)域應(yīng)用頗多，乙烯和MTO裝置中不合格乙烯汽化器、合格乙烯汽化器和冷火炬液汽化器等均采用雙管束熱交換器。

在工程實際應(yīng)用中雙管束熱交換器操作工況較為復(fù)雜，其中以管、殼兩側(cè)操作壓力差較大最為常見。該工況下，設(shè)計條件對設(shè)備投資成本的影響較大，而設(shè)計條件本身又可以根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化。本文結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程實例對該工況進行分析比較。

1　雙管束熱交換器設(shè)計條件確定

1.1　設(shè)計溫度確定

雙管束熱交換器設(shè)計溫度的確定受管、殼側(cè)壓差的影響不大，根據(jù)化工工藝設(shè)計手冊[4]、石油化工設(shè)計手冊[5]和HG/T 20570.1—95《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定：設(shè)備和管道系統(tǒng)設(shè)計壓力和設(shè)計溫度的確定》[6]中相關(guān)條款的規(guī)定選取即可。

1.2　設(shè)計壓力確定

雙管束熱交換器管、殼側(cè)的操作壓差較大時，設(shè)計壓力常成為影響設(shè)備投資成本的重要因素。HG/T 20570.2—95 《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定：安全閥的設(shè)置和選用》和相關(guān)手冊中規(guī)定[4-8]，如果熱交換器低壓側(cè)的設(shè)計壓力小于高壓側(cè)設(shè)計壓力的2/3時，則應(yīng)將換熱管破裂作為事故工況考慮。對于此種工況，從安全閥設(shè)計選型角度考慮，為避免換熱管破裂工況的出現(xiàn)，設(shè)計人員常會將三側(cè)(下方管側(cè)、上方管側(cè)及殼程)的設(shè)計壓力設(shè)定一致或者使低壓側(cè)的設(shè)計壓力大于高壓側(cè)設(shè)計壓力的2/3。但是按GB 150.3—2011 《壓力容器 第3部分：設(shè)計》[9]中的壁厚公式計算的設(shè)備壁厚可知，將低壓側(cè)的設(shè)計壓力提高不僅不能完全保證低壓側(cè)不需要安全閥，而且會使設(shè)備壁厚增加，甚至還需要考慮火災(zāi)、出口閥關(guān)閉等工況。

針對雙管束熱交換器管、殼側(cè)操作壓差較大的工況，筆者認為低壓側(cè)的設(shè)計壓力可不提高，或在差別巨大時結(jié)合安全閥工況(換熱管破裂)并綜合考慮局部應(yīng)力大等因素適當(dāng)提高一些即可。此設(shè)計思路統(tǒng)籌考慮設(shè)備的工藝要求，設(shè)備投資成本，設(shè)備壁厚以及制造、熱處理、探傷等后續(xù)處理費用，不僅滿足工藝要求，且更合理經(jīng)濟。

2　雙管束熱交換器設(shè)計條件優(yōu)化工程實例

2.1　汽化器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

某30萬t/a年煤化工MTO項目中合格乙烯汽化器(以下簡稱汽化器)采用典型的雙管束熱交換器，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1　某30萬t/a煤化工MTO項目合格乙烯汽化器結(jié)構(gòu)簡圖

此汽化器處于典型的管、殼側(cè)操作壓差大工況，熱流體、中間換熱介質(zhì)和冷流體分別為水蒸氣、甲醇和乙烯，以乙烯為產(chǎn)品提供給下游用戶。底部管束中水蒸氣的操作條件為壓力0.5 MPa(G)、溫度154 ℃；殼體中甲醇的操作條件為壓力0.002 MPa(G)、溫度64.5～65 ℃；上部管束中乙烯的操作條件為壓力4.275 MPa(G)、液相乙烯溫度-30 ℃、氣相乙烯溫度30 ℃。

2.2　汽化器設(shè)計溫度確定

汽化器內(nèi)部下方管束熱流體一側(cè)的水蒸氣為公用工程物料，其進界區(qū)操作條件和設(shè)計條件是固定的，分別為0.5 MPa(G)、154 ℃和0.7 MPa(G)、200 ℃。汽化器內(nèi)部上方管束中乙烯液相的操作溫度為-30 ℃，實際生產(chǎn)過程中進料條件波動時的最低乙烯工作溫度會更低。根據(jù)HG/T 20570.1—95規(guī)定，介質(zhì)溫度不大于-20 ℃時，設(shè)計溫度可在介質(zhì)正常工作溫度基礎(chǔ)上減0～10 ℃，上部管束的低溫設(shè)計溫度取-45 ℃。正常操作時乙烯被甲醇蒸氣氣化的最高溫度為65 ℃，上部管束的高溫設(shè)計溫度取65 ℃。因此，上部管束設(shè)計溫度確定為-45/65 ℃。

汽化器殼體中甲醇的設(shè)計壓力和設(shè)計溫度同時受上下兩個管束操作條件的影響。殼體中的甲醇在下部空間時被下方換熱管束中的水蒸氣加熱，根據(jù)HG/T 20570.1—95規(guī)定， 設(shè)備內(nèi)介質(zhì)用蒸汽直接加熱時，設(shè)計溫度取正常工作過程中介質(zhì)的最高溫度，結(jié)合蒸汽的設(shè)計溫度200 ℃(蒸汽正常工作過程中最高工作溫度圓整而得)以及甲醇被加熱的最高溫度小于200 ℃，保守取殼體中甲醇的高溫設(shè)計溫度為195 ℃。同時可以認為，殼體中上升的甲醇蒸氣加熱上部乙烯后可能出現(xiàn)的最低溫度即為液相乙烯的溫度，殼體一側(cè)的低溫設(shè)計溫度據(jù)此取-45 ℃。因此，汽化器殼體的設(shè)計溫度確定為-45/195 ℃。

已工業(yè)化的不同乙烯項目中汽化器設(shè)計條件匯總見表1。

表1　不同項目合格乙烯汽化器設(shè)計條件

從表1可以看出，合格汽化器的操作條件相近，設(shè)計溫度選取基本一致。根據(jù)現(xiàn)場操作反饋情況，表中各項目在相應(yīng)的設(shè)計溫度下，合格乙烯汽化器運行平穩(wěn)，間接證明依據(jù)上述設(shè)計思路確定的設(shè)計溫度是安全可靠的。

2.3　汽化器設(shè)計壓力確定

依據(jù)上述汽化器的操作條件，若不考慮水蒸氣、甲醇和乙烯三者在換熱流程中的關(guān)聯(lián)，蒸汽設(shè)計壓力依據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)為0.7 MPa(G)，乙烯的設(shè)計壓力根據(jù)乙烯罐區(qū)壓力確定為4.8 MPa(G)，而甲醇在65 ℃時對應(yīng)的飽和蒸汽壓力只有0.002 MPa(G)，根據(jù)HG/T 20570.1—95，設(shè)計壓力選用0.1 MPa(G)即可。顯然，僅根據(jù)操作壓力選擇的2個管側(cè)(上)設(shè)計壓力與殼體一側(cè)的設(shè)計壓力差異巨大，必須重新統(tǒng)籌考慮。

分析表1可以發(fā)現(xiàn)，對于熱交換器兩管程與殼程設(shè)計壓差大的工況，為了避免換熱管破裂工況的出現(xiàn)， MTO項目一和乙烯項目一中將汽化器3側(cè)(管側(cè)、下管側(cè)和殼體側(cè))的設(shè)計壓力提成一致，而MTO項目二中則按照規(guī)范規(guī)定使低壓一側(cè)設(shè)計壓力大于高壓一側(cè)設(shè)計壓力的2/3。這兩種做法均以消除換熱管破裂工況為目標(biāo)，故下文中將各熱交換流體側(cè)的設(shè)計壓力提成一致4.8 MPa(G)的方案作為比較對象。

本例中，對合格乙烯汽化器的優(yōu)化設(shè)計以滿足工藝要求、節(jié)約設(shè)備投資為原則。汽化器乙烯側(cè)為高壓側(cè)，設(shè)計壓力由乙烯罐區(qū)確定，故不做改變。甲醇側(cè)操作壓力為0.002 MPa(G)，即甲醇在操作溫度(65 ℃)下對應(yīng)的飽和蒸汽壓，同時考慮甲醇以水蒸氣為加熱源，而水蒸氣在設(shè)計壓力0.7 MPa(G)時對應(yīng)的飽和溫度約171 ℃，因而可近似認為甲醇被蒸汽加熱的最高溫度為171 ℃。根據(jù)甲醇在171 ℃時對應(yīng)的飽和蒸汽壓約2.3 MPa(G)，將甲醇一側(cè)的設(shè)計壓力定為2.3 MPa(G)。同時，蒸汽側(cè)管束設(shè)計壓力由0.7 MPa(G)提至2.3 MPa(G)，在進行安全閥工況分析時不考慮蒸汽側(cè)和甲醇側(cè)間設(shè)計壓差引起的換熱管破裂工況。但對殼體側(cè)的安全閥，卻需考慮由乙烯側(cè)和甲醇側(cè)差異而增加換熱管破裂工況。

2.4　兩種設(shè)計方案比較

根據(jù)GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》中壁厚計算公式可知壁厚與設(shè)計壓力相關(guān)。在設(shè)計溫度一致時，壓力越高則壁厚值越大，因此可知兩種設(shè)計方案造成合格乙烯汽化器設(shè)備本體厚度和重量差別較大。合格乙烯汽化器兩種設(shè)計方案的比較見表2。從表2可以看出，優(yōu)化后殼體側(cè)筒體的壁厚從32 mm降至18 mm，封頭厚度由36 mm降至20 mm，下管箱厚度也從12 mm降至10 mm，直接節(jié)約設(shè)備材料約35%。按目前09MnNiDR價格約5 000元/t計算，僅設(shè)備本體材料費用就可節(jié)約3萬元。對09MnNiDR材料，按GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[9-16]中的制造、檢驗和驗收規(guī)定要求，壁厚不大于20 mm板材可抽檢超聲檢測、低溫沖擊試驗等，而壁厚大于20 mm的則必須100%進行檢測和試驗。因此壁厚越大，焊縫的后續(xù)相關(guān)處理越嚴格，費用也越高?；陧椖吭O(shè)備報價，制造費用與材料重成正比，優(yōu)化設(shè)計能節(jié)省約35%的制造費用。

表2　合格乙烯汽化器兩種設(shè)計方案比較

對合格乙烯汽化器殼體側(cè)的安全閥，在常規(guī)設(shè)計中不需要考慮換熱管破裂工況，經(jīng)過分析只考慮火災(zāi)工況，依據(jù)20570.2—95計算的排量為3 320 kg/h，此即安全閥的最大排量。優(yōu)化后對安全閥需考慮熱管破裂工況，排量為20 175 kg/h，即此設(shè)計該安全閥的最大排量。基于項目安全閥報價，根據(jù)2個排量選出的安全閥報價相差約1萬元。綜合考慮設(shè)備本體材料、制造費用以及安全閥的差價，優(yōu)化設(shè)計與常規(guī)設(shè)計相比保守可節(jié)約25%的投資。而且，設(shè)計壓力的降低還會減少與設(shè)備相連管線及相關(guān)管件的投資費用。

3　結(jié)語

介紹了管、殼側(cè)操作壓差較大時雙管束熱交換器設(shè)計條件確定的常規(guī)處理方式。在常規(guī)方式基礎(chǔ)上，提出綜合考慮安全閥選用的雙管束熱交換器設(shè)計條件確定的優(yōu)化處理方式，并結(jié)合工程實例對兩種方式進行分析和比較。研究結(jié)果表明，對于特定的管、殼側(cè)操作條件有明顯差異的雙管束熱交換器，在統(tǒng)籌考慮熱交換器安全閥設(shè)計時，較之將殼體側(cè)和工藝側(cè)設(shè)計壓力調(diào)為一致的常規(guī)處理方式，考慮換熱管破裂工況的設(shè)計在滿足工藝要求前提下能有效降低設(shè)備投資，可為類似設(shè)計提供借鑒。

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