換熱器的布置原則及案例分析

榮守朋

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

在化工、石油等裝置中，換熱設(shè)備是普遍應(yīng)用的典型設(shè)備，是工藝傳熱過程的關(guān)鍵設(shè)備，合理設(shè)計和布置換熱器對化工企業(yè)尤為重要；但有時兩臺臥式換熱器直連(管口對管口，中間無管道)時，容易忽略設(shè)備本身的熱應(yīng)力。

1 換熱器設(shè)備布置原則[1]

(1)與分餾塔關(guān)聯(lián)的管殼式換熱設(shè)備，如塔底重沸器，塔頂冷凝冷卻器等。宜按工藝流程順序布置在分餾塔的附近。

(2)兩種物料進行熱交換的換熱器，宜布置在兩種物料進出口相連的管道最近的位置。

(3)一種物料與幾種不同物料進行換熱的管殼式換熱器，應(yīng)成組布置。

(4)用水或冷劑冷卻幾組不同物料的冷卻器，宜成組布置。

(5)成組布置的換熱設(shè)備，宜取支座基礎(chǔ)中心線對齊，當(dāng)支座間距不相同時，宜取一端支座基礎(chǔ)中心線對齊。為了管道連接方便，地面上布置的換熱器也可采用管程進出口管嘴中心線對齊。

(6)換熱設(shè)備應(yīng)盡可能布置在地面上，但是換熱設(shè)備數(shù)量較多可布置在構(gòu)架上。

l)浮頭式換熱器在地面上布置時，應(yīng)滿足下列要求：

①浮頭和管箱的兩側(cè)應(yīng)有寬度不小于0.6m的空地，浮頭端前方宜有寬度不小于1.2m的空地；

②管箱前方從管箱端算起應(yīng)留有比管束長度至少長1.5 m的空地。

2)浮頭式換熱器在構(gòu)架上布置時，應(yīng)滿足下列要求：

①浮頭端前方平臺凈空不宜小于0.8 m；

②管箱端前方平臺凈空不宜小于1 m，平臺采用可拆卸式欄桿，并應(yīng)考慮管束抽出區(qū)所需的空間；

③構(gòu)架高度應(yīng)能滿足換熱器的管箱和浮頭的頭蓋吊裝需要，構(gòu)架荷載應(yīng)能承載設(shè)備頭蓋重量。布置如圖1。

圖1 換熱器檢修及布置要求示意圖

換熱器檢修一般程序：拆卸管箱及浮頭、管束抽芯清洗或直接清洗、殼程清洗、部件試壓、管束、管箱及浮頭等復(fù)位、設(shè)備復(fù)位后整體試壓、氣密、驗收。

(7)為了節(jié)約占地或工藝操作方便可以將兩臺換熱設(shè)備重疊在一起布置。但對于兩相流介質(zhì)或殼體直徑大于或等于1.2m的換熱器不宜重疊布置；下部設(shè)備管口應(yīng)考慮上部設(shè)備的附加荷載。

(8)換熱器之間、換熱器與其他設(shè)備之間的凈距不宜小于0.7m。

(9)重質(zhì)油品或污染環(huán)境的物料的換熱設(shè)備不宜布置在構(gòu)架上。

(10)操作溫度高于物料自燃點的換熱器的上方，如無樓板或平臺隔開，不應(yīng)布置其他設(shè)備。

(11) 設(shè)備管口的法蘭參數(shù)應(yīng)與其管道法蘭一致。

(12)熱虹吸再沸器安裝高度嚴(yán)格遵循工藝計算值。

(13)固定在塔器上的立式換熱器，其支架應(yīng)考慮設(shè)備熱應(yīng)力。

(14)空冷器的布置應(yīng)避免自身或相互間的熱風(fēng)循環(huán)，可采取下列措施:

1)同類型的空冷器應(yīng)布置在同一高度。

2)相鄰的兩空冷器應(yīng)緊靠布置，不應(yīng)留有間距(復(fù)合空冷器除外)。

3)多組空冷器應(yīng)相互靠近，否則易造成熱風(fēng)循環(huán)。

4)空冷器應(yīng)布置在裝置的上風(fēng)則，以免腐蝕性氣體或熱風(fēng)進入管束，從而影響空冷器的冷卻效果。

5)引風(fēng)式空冷器與鼓風(fēng)式空冷器布置在一起時，應(yīng)將引風(fēng)式空冷器布置在鼓風(fēng)式空冷器的上風(fēng)側(cè)。當(dāng)引風(fēng)式空冷器與鼓風(fēng)式空冷器混合布置時，其管束的安裝高度應(yīng)比鼓風(fēng)式空冷器低。

(15)含有毒、腐蝕介質(zhì)的換熱器，換熱器盡量集中布置，且在換熱器周圍設(shè)置圍堰。

(16)含液氨、液化烴介質(zhì)的換熱器/蒸發(fā)器，應(yīng)設(shè)置水噴淋系統(tǒng)。

(17)若換熱器有坡度要求，其基礎(chǔ)標(biāo)高應(yīng)有高差，以滿足坡度要求；且設(shè)備管口連接面應(yīng)水平布置。

(18)布置在框架內(nèi)的立式換熱器，設(shè)備上方應(yīng)留出檢修空間，不宜布置其他設(shè)備。

2 換熱器管道布置原則[2]

(1)工藝管道布置應(yīng)注意冷熱物料的流向，一般為冷物流自下而上，熱物流由上而下。

(2)管線布置應(yīng)該方便操作，并且不妨礙設(shè)備的檢修：

1)管線布置不影響設(shè)備的抽芯，包括管束和內(nèi)管。

2)管線和閥門、儀表元件的布置，不得妨礙設(shè)備的法蘭和閥門自身法蘭的拆卸或安裝。配管如圖2。

圖2 換熱器周圍配管要求示意圖

(3)套管換熱器檢修時需抽出內(nèi)管，配管時應(yīng)設(shè)置檢修用法蘭，并考慮操作和維修時拆卸法蘭及緊固螺栓所需的空間。

(4)換熱器的基礎(chǔ)標(biāo)高，滿足其下部排液管道距離地面或操作平臺面不應(yīng)小于200 mm，排液口應(yīng)避開設(shè)備基礎(chǔ)，以免管線和設(shè)備基礎(chǔ)發(fā)生碰撞。

(5)對氣液兩相流的管道布置應(yīng)使管道走向盡量短，不得出現(xiàn)液袋，且管道支架應(yīng)防止振動。

(6)對于筒體需要整體移出才能檢修的設(shè)備，管線應(yīng)設(shè)計拆卸法蘭，并不應(yīng)在設(shè)備檢修區(qū)布置管線。

(7)成組布置的換熱器區(qū)域內(nèi)，可在地面或操作平臺上敷設(shè)管道，但不應(yīng)妨礙通行和操作；調(diào)節(jié)閥組應(yīng)平行于設(shè)備布置。

(8)與冷換設(shè)備相接的易凝介質(zhì)的管道或含有固體顆粒的管道副線，其切斷閥應(yīng)設(shè)在水平管上，并應(yīng)防止形成死角積液。

(9)有滿液要求的換熱器，物料管線布置要呈“U”型布置。

(10)換熱器進出口有旁路時，進出口切斷閥及旁路閥應(yīng)靠近布置。易凝介質(zhì)和腐蝕介質(zhì)的配管，應(yīng)使旁路開、閉時管道盲端都最短。配管如圖3。

圖3 換熱器進出口管道及旁路的基本配管方案

3 案例

圖4 設(shè)備平面布置圖

某化工裝置中，有兩臺高溫臥式換熱器530E0105和530E0107，參數(shù)如下：530E0105，操作溫度350℃；530E0107，操作溫度250℃。兩臺設(shè)備布置如圖4。

裝置投料開車后，設(shè)備530E0105與530E0107設(shè)管板嚴(yán)重變形，530E0107設(shè)備基礎(chǔ)被推倒，裝置緊急停車，對企業(yè)造成很大損失。

4 案例分析及處理方案

按照工藝要求，將設(shè)備530E0105與530E0107直連布置。由于操作溫度較高，需對管系進行應(yīng)力核算。管系1的計算范圍是截至設(shè)備530E0105固定端，管系2的計算范圍是截至設(shè)備530E0107固定端，兩者均通過應(yīng)力核算。但530E0105與530E0107的固定端之間的熱應(yīng)力，無法消除，熱應(yīng)力大小高達250000N。

此力之大超乎想象，足以對設(shè)備和土建基礎(chǔ)造成嚴(yán)重破壞。所以設(shè)備530E0105或530E0107的固定端必須改為滑動或滾動。以530E0107為例，把固定端改為滑動端，固定端支座螺栓孔改為長圓孔，土建基礎(chǔ)加鋼墊板，減少設(shè)備與基礎(chǔ)間摩擦力。以530E0105的固定端至管系2作為整個系統(tǒng)進行應(yīng)力核算，確保消除管道和設(shè)備的全部熱應(yīng)力。

5 結(jié)語

在換熱器的工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計固然重要，同時換熱的設(shè)備和管線布置需要更加合理，緊湊，設(shè)備和管線的熱應(yīng)力消除在設(shè)備可承受范圍內(nèi)。對整個裝置良好、安全運行至關(guān)重要。