一種機(jī)械密封系統(tǒng)換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉莉，張有華，彭敏

（中密控股股份有限公司，成都 610045）

近些年來(lái)我國(guó)對(duì)環(huán)保和安全問題愈加重視，各行業(yè)針對(duì)環(huán)保和安全相關(guān)的法律法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)。在石油化工領(lǐng)域，石油的二次加工如加氫裂化、重油渣油加氫裝置等項(xiàng)目建設(shè)增加，其介質(zhì)多數(shù)具有高溫、易爆的特性，高溫泵的機(jī)械密封及密封輔助系統(tǒng)需要高效、穩(wěn)定地工作，尤其是輔助系統(tǒng)中的換熱器，在節(jié)能、增效等方面改進(jìn)換熱器性能，提高傳熱效率、降低管阻等方面的要求也越來(lái)越高。換熱器的結(jié)構(gòu)研發(fā)也在不斷更新[1]。

在高溫?zé)嵊捅弥校鶗?huì)因循環(huán)散熱不佳、溫度高，導(dǎo)致密封端面液膜不穩(wěn)定、石墨材料易產(chǎn)生泡疤等問題，從而導(dǎo)致機(jī)械密封承壓能力削弱、安全性降低、泄漏量增大[2]。為此，本文除了對(duì)沖洗方案為Plan 23 或Plan 53B 中的機(jī)械密封優(yōu)化改進(jìn)外，還對(duì)配套使用的機(jī)械密封輔助系統(tǒng)換熱器進(jìn)行分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 兩種典型的換熱器結(jié)構(gòu)分析

在國(guó)內(nèi)石油、化工等領(lǐng)域中，最常見的用于機(jī)械密封輔助系統(tǒng)換熱器換熱管結(jié)構(gòu)為螺旋管式，但普遍存在一些缺陷：進(jìn)出口布置不合理、管道過長(zhǎng)、管阻大、循環(huán)不暢、施工困難等。例如：1.2 m2的換熱器，若采用外徑為12 mm 的鋼管[3]，需長(zhǎng)31 800 mm；若采用外徑為22 mm 的鋼管，需長(zhǎng)17 400 mm。且又因空間結(jié)構(gòu)的限制，螺旋式換熱管[4]過長(zhǎng)，盤徑過小，盤圈過多，導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)熱流體阻力較大，循環(huán)不暢[5]。下面針對(duì)兩種典型的換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.1 換熱器型式1

如圖1 所示，熱流體通入管程（FI、FO），冷流體通入殼程（CI、CO）。換熱器熱流體從FI 口進(jìn)入，從上往下流動(dòng)，再經(jīng)過盤管由下向上流動(dòng)，從FO 口流出；冷流體從側(cè)面CI 口進(jìn)入，從套筒外向下流動(dòng)，再流入套筒內(nèi)部，由下向上流動(dòng)，從頂部CO 口流出。

圖 1 換熱器型式1 的流體走向Fig.1 Heat exchanger type 1 flow direction

該設(shè)計(jì)有兩個(gè)弊端：流體流動(dòng)過程中，溫度變化導(dǎo)致密度變化，前半程增大了冷流體的管阻，后半程增大了熱流體的管阻；另一個(gè)缺點(diǎn)是冷熱流體并流方式，換熱效率低。

實(shí)際使用情況也是如此，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)反饋，CI 口上方與內(nèi)套筒之間的冷流體處于不流動(dòng)，甚至該區(qū)域可能出現(xiàn)未充滿冷卻水的情況，導(dǎo)致該區(qū)域的冷流體未充分參與冷卻循環(huán)，熱流體循環(huán)流量低，換熱效果差。

1.2 換熱器型式2

如圖2 所示，換熱器熱流體從FI 口進(jìn)入，流經(jīng)換熱管后從FO 口流出；而冷流體也同樣從頂部（上封頭）CI 口進(jìn)入，往下流經(jīng)中間內(nèi)部套筒后，再?gòu)捻敳浚ㄉ戏忸^）CO 口流出。

圖2 換熱器型式2 流體走向Fig.2 Heat exchanger type 2 flow direction

熱/冷流體上進(jìn)上出結(jié)構(gòu)與圖1 所示換熱器熱流體上進(jìn)上出、冷流體側(cè)進(jìn)上出結(jié)構(gòu)相比較，除冷流體入口CI 由殼程中間改至上面外，其他沒什么變化，其弊端與圖1 一致。

2 優(yōu)化后換熱器結(jié)構(gòu)

為了解決“管阻過大、循環(huán)不暢、冷熱流體流向不合理”這些難題，主要從以下幾個(gè)方面著手考慮優(yōu)化。

2.1 增大盤管管徑

增大盤管管徑，可以增大過流面積，減少盤管長(zhǎng)度，降低流體管道阻力[6]。

但隨著管徑增大，增加了盤管加工的難度。繞制盤管時(shí)，施加力過大，很容易導(dǎo)致盤管出現(xiàn)壓扁、裂紋、變形等缺陷[7]，因此考慮到繞制工藝受限的原因，通常這個(gè)方案不容易實(shí)現(xiàn)。

2.2 采用雙盤管結(jié)構(gòu)

在不減少換熱面積的情況下，將盤管一分為二，組成雙層盤管，兩組小管徑盤管并聯(lián)后，在進(jìn)出口并入一根管道FI、FO。

將盤管（熱流體）入口FI 設(shè)置在換熱器頂部，出口FO 設(shè)置在換熱器底部，換熱管為上進(jìn)下出結(jié)構(gòu)。殼程（冷流體）入口CI 設(shè)置在換熱器底部，出口CO 設(shè)置在換熱器頂部，冷流體為下進(jìn)上出結(jié)構(gòu)，完全實(shí)現(xiàn)逆流換熱，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后換熱器的流體走向Fig.3 Flow direction of optimized heat exchanger

熱流體從封頭上端FI 口進(jìn)入，分別流向內(nèi)外雙層換熱管，再?gòu)南路忸^底部流出，匯合后從FO 口流出。而冷流體從下封頭底端CI 口進(jìn)入，從上封頭CO 口流出。

高溫的熱流體從FI 口進(jìn)入后，由上往下流動(dòng)，同時(shí)換熱冷卻，溫度逐漸降低，密度增大，促進(jìn)熱流體向下循環(huán)。同時(shí)，冷流體從下封頭的CI 口進(jìn)入，經(jīng)換熱后，冷流體溫度升高，密度減小，也利于冷流體向上循環(huán)。

工程上所用換熱器的傳熱方式大多是熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱同時(shí)進(jìn)行。在傳熱過程中，冷、熱流體都是流動(dòng)的，因此，沿流體的流動(dòng)方向上，冷、熱流體件的溫差是變化的。

傳熱公式如式（1）所示。

式中 Q——單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，W；

A——傳熱面積，m2；

t1——冷流體的平均溫度，℃；

t2——熱流體的平均溫度，℃；

K—— 傳熱系數(shù)，W/ ( m2·℃ ) 。

在利用式（1）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需知道冷、熱流體的平均溫差（Δt2-Δt1）。在穩(wěn)定傳熱過程中，冷流體吸收的熱量和熱流體放出的熱量應(yīng)是相同的，即 有：

由于冷、熱流體的流量和比熱都可以看作為常量，故有：

式中 T——熱流體的瞬時(shí)溫度，K ；

t——冷流體的瞬時(shí)溫度，K 。

將式（1）代入式（2），經(jīng)移項(xiàng)后，可得：

兩邊積分并經(jīng)整理后，得：

在式（3）中，Δtm稱為對(duì)數(shù)平均溫度差。

當(dāng) Tt1/T t21 2時(shí)，Δtm可 用 算 術(shù) 平 均 溫 度0.5 ^ T t1+Tt2h來(lái)代替[4]。

從傳熱公式可以看到，在傳熱面積A 和傳熱系數(shù)K 相同的條件下，平均溫度差Δtm的值越大，所傳遞的熱量就越大。

在冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度不變的情況下，逆流工況下的平均溫度差要比并流工況下的平均溫度差大。

如要達(dá)到同樣的平均溫度差值，并且冷流體的進(jìn)、出口溫度和熱流體的溫度保持不變，則采用逆流就可使熱流體的出口溫度下降更多。

如圖3 所示，改進(jìn)后的換熱器采用了熱流體上進(jìn)下出、冷流體下進(jìn)上出的逆流方式，提高了換熱效 率。

2.3 安裝便捷，可拆卸清洗

換熱器的冷流體（冷卻水），現(xiàn)場(chǎng)通常采用循環(huán)水以進(jìn)行冷卻。由于現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)水水質(zhì)較差，不但溶解了較多的鹽類，且含有少量的泥沙、雜質(zhì)碎屑等物質(zhì)。循環(huán)水與換熱器的換熱管外表面接觸時(shí)，在高溫下極容易形成水垢及沉積物。附著在換熱管外壁的水垢及沉積物會(huì)降低換熱器的換熱效率。

解決換熱效率差的方法是提供優(yōu)質(zhì)的冷卻水或定期清理冷卻系統(tǒng)，前者需要提高全廠區(qū)內(nèi)循環(huán)水質(zhì)量，是不太可行的，因此定期清理?yè)Q熱器內(nèi)部水垢等雜質(zhì)就十分必要。

為了能夠便捷拆卸換熱器以進(jìn)行內(nèi)部清理，同時(shí)避免換熱器換熱管的“上進(jìn)下出”結(jié)構(gòu)不受影響，經(jīng)過反復(fù)的拆裝試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種特殊的結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。換熱管出口端與封頭采用活接頭，換熱管組件部分和筒體組件部分采用的是法蘭結(jié)構(gòu)，在安裝、檢修時(shí)只需拆分換熱管組件部分和筒體組件部分連接的螺栓、螺母及平墊，松動(dòng)換熱器底部的活接頭，即可輕松取出換熱管組件部分，從而對(duì)附著在換熱管外壁的水垢進(jìn)行清洗及檢修。

圖4 換熱管出口端活接頭型式Fig.4 Type of union at the outlet of heat exchange tube

在四川某石化現(xiàn)場(chǎng)，分別用換熱器型式2 和設(shè)計(jì)優(yōu)化的換熱器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，其工況參數(shù)為：介質(zhì)為乙醛、催化劑；溫度為120～150 ℃；入口壓力（G）0.15 MPa；出口壓力（G）3.8 MPa；轉(zhuǎn)速2 980 r/ min；沖洗方案選用Plan 53 B。

對(duì)換熱器型式2 與設(shè)計(jì)優(yōu)化的換熱器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示，可以看出優(yōu)化后的換熱器換熱管流量明顯增加，甚至流量達(dá)到了2 倍以上，換熱器換熱盤管出入口溫差明顯降低。

表1 換熱器型式2 與設(shè)計(jì)優(yōu)化的換熱器對(duì)比試驗(yàn)Table 1 Comparison test of heat exchanger type 2 and optimized heat exchanger

3 優(yōu)化后的換熱器在高溫、高熱等高危泵的應(yīng)用

Plan 53B 系統(tǒng)隔離液壓力是通過囊式蓄能器來(lái)維持的。隔離液流體采用內(nèi)循環(huán)裝置來(lái)進(jìn)行循環(huán)[8-10]。但Plan 53B 系統(tǒng)中換熱器的換熱管（管程）是主要參與循環(huán)的部分，因此管阻較大，對(duì)內(nèi)循環(huán)裝置的要求很高，同時(shí)需要Plan 53B 的管路和換熱器的換熱管充分排空，否則隔離液的循環(huán)也會(huì)受到很大的影響，甚至無(wú)法循環(huán)。而隔離液的循環(huán)效果直接關(guān)系到密封的可靠性及使用壽命[11-12]。

鑒于Plan 53B 系統(tǒng)普遍存在的問題，改進(jìn)后的換熱器首次在某2.4×106t/a 延遲焦化裝置改造項(xiàng)目中投入使用。該項(xiàng)目工況為：介質(zhì)為渣油、蠟油；溫度334 ℃；入口壓力（G）0.15 MPa；出口壓力（G）3.8 MPa；轉(zhuǎn)速2 980 r/min；沖洗方案選用Plan 23 + 53B。從2011 年初投入使用至今，其Plan 53B 的循環(huán)流量及流速均有明顯提升，在穩(wěn)定運(yùn)行的條件下測(cè)得流量、熱流體進(jìn)出口溫差達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

高危泵改造項(xiàng)目中的機(jī)械密封輔助系統(tǒng)，Plan 53B 系統(tǒng)通常出現(xiàn)隔離液溫度高、循環(huán)管阻大、石墨材質(zhì)端面易起泡疤、密封壽命較短的問題[13-14]。在Plan 53B 系統(tǒng)中的換熱器采用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，均取得了滿意的效果。在近幾年的配套及改造項(xiàng)目中，本文改進(jìn)的換熱器結(jié)構(gòu)，已成功應(yīng)用于多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，并取得了理想的使用效果。

本文設(shè)計(jì)、改進(jìn)的換熱器在沖洗方案Plan 53B中使用，改善了Plan 53B 系統(tǒng)的循環(huán)流量、流速及減少管路阻力損失，有效帶走密封端面產(chǎn)生的摩擦熱和工藝介質(zhì)的“吸熱”，從而保證了機(jī)械密封的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全地運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)，可在Plan 23、Plan 53B 中廣泛推廣使用。