板式換熱器在原油系統(tǒng)中的選型設(shè)計(jì)與計(jì)算

趙瑞云，孟凡昌，許小波，白如霜，馮香

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

板式換熱器以其重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于化工、輕工、食品等行業(yè)。在海上石油開采中的應(yīng)用也越來越廣泛，特別是在油品性質(zhì)、操作條件許可的原油系統(tǒng)中的應(yīng)用開始推廣。南海文昌、西江等多個(gè)采油平臺(tái)、浮式儲(chǔ)油船舶（FPSO）等都得到了應(yīng)用。

原油一般黏度較大，腐蝕性較強(qiáng)，易結(jié)垢，且經(jīng)常含有油氣水三相，流動(dòng)復(fù)雜，因此原油換熱器在設(shè)計(jì)、選型、計(jì)算方面有許多特殊的要求，現(xiàn)從流程設(shè)計(jì)、選型設(shè)計(jì)、計(jì)算方法等方面進(jìn)行闡述。

1 板式換熱器的選型設(shè)計(jì)和流程組合

1.1 介質(zhì)分析

海上采油平臺(tái)或FPSO介質(zhì)主要為原油/原油、原油/熱介質(zhì)油、原油/海水。原油/熱介質(zhì)油換熱器工作溫度為250-300℃，考慮到換熱器的工作穩(wěn)定性，海上平臺(tái)或FPSO仍采用管殼式換熱器，而未采用板式換熱器。其實(shí)原油/原油、原油/海水的板式換熱器在國際上已應(yīng)用較多。原油中經(jīng)常含有沙子等固體顆粒，為適應(yīng)板式換熱器的板間通道窄的狀況，應(yīng)考慮在入口加裝過濾器。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通板式換熱器是靠墊片密封，密封周邊長，而且角孔的兩道密封處的支撐情況較差，墊片得不到足夠的壓緊力，普通板式換熱器的最高工作壓力僅為2.5MPa。板式換熱器的工作溫度取決于密封墊片能承受的溫度，橡膠類墊片最高工作溫度為200℃，壓縮石棉絨墊片，最高工作溫度為250℃。部分生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的半焊接和全焊接型板式換熱器最高工作壓力已達(dá)4MPa，最高工作溫度為350～400℃。

由于考慮到原油的工作壓力和溫度，一般選用半焊接或全焊接型板式換熱器。

1.3 流程組合

板式換熱器通過不同的流程組合、不同的板型、不同的長寬比來達(dá)到換熱功能，在給定了介質(zhì)特性和空間布置要求后，滿足要求的合適換熱器就只有一個(gè)最佳選擇。

板式換熱器有各種各樣的流程組合。按程數(shù)分類，有多程和單程兩種；按流體總的流動(dòng)方向分類，有順流和逆流兩種。應(yīng)根據(jù)換熱和流體阻力降計(jì)算，在滿足工藝要求的前提下，確定流程組合。最簡單的流程組合是Z形和U形，均屬于單流程，兩種流體可以全逆流或全并流進(jìn)行換熱，一般采用全逆流換熱。由于U形流程組合的接管都在固定壓緊板上，拆裝方便，應(yīng)用比較多。

1.4 板型選擇

板式換熱器的板片按幾何形狀區(qū)分，有水平平直波紋、人字形波紋、斜波紋等波紋板片。衡量波紋板片性能的優(yōu)劣，其主要參數(shù)有傳熱效率、流體阻力和承壓能力，一般來說，人字形波紋板的傳熱效率高、承壓能力好，但流體阻力大。水平平直波紋板板片，相對(duì)人字形波紋板片，傳熱效率低，流體阻力小，承壓能力稍低。目前在原油換熱器中，考慮到壓力，應(yīng)用最多的是人字形波紋板。

人字形波紋板片板間流道截面變化十分復(fù)雜，易發(fā)生湍流，同時(shí)流體在這種多變的流道中流動(dòng)（流道反復(fù)地?cái)U(kuò)張、收縮）會(huì)消耗更多的能量，所以換熱效率高、流體阻力降大。人字形板片的人字角θ對(duì)換熱效率、流體阻力都有明顯影響，人字角θ大換熱效率高、流體阻力大，為硬板片（H板片）；人字角θ大換熱效率高、流體阻力大，為硬板片（H板片）；人字角θ小換熱效率、流體阻力都低一些，為軟板片（L板片）；通過軟硬板片的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，在允許的壓降情況下，獲得比較高的傳熱效率。在與廠家技術(shù)澄清階段需要了解廠家的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，以比較優(yōu)劣。

另一個(gè)板型選擇是板的長寬比，由于不同廠家換熱板結(jié)構(gòu)形式不同，板型系列及長寬比也不一樣，廠家所選換熱器的傳熱系數(shù)不同，因而換熱面積不一樣?，F(xiàn)在像ALFA-LAVAL、APV等公司都有自己的系列板型，設(shè)計(jì)人員根據(jù)情況選擇，不同的廠家選擇的板型不同，傳熱計(jì)算結(jié)果也不同。細(xì)長型的壓降比短粗型的板大，長型板比短型板單平方面積價(jià)格較高。

1.5 材料選擇

板片材料考慮到耐腐蝕性、加工性等因素，主要有不銹鋼（316、304、316L等），對(duì)于原油/海水的板片應(yīng)選擇鈦板。對(duì)于原油/原油換熱器氯離子含量比較大時(shí)，也要選擇鈦板。

墊片材料要具備彈性、耐熱、耐腐蝕性能，常用于原油、海水的墊片主要有丁腈橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠等，但這幾種材料耐熱溫度不同。丁腈橡膠最高使用溫度為140℃，乙丙橡膠最高使用溫度為160℃，氟橡膠最高使用溫度為180℃。

2 原油板式換熱器的計(jì)算

2.1 相變的影響

原油在換熱器中隨著溫度的變化會(huì)產(chǎn)生相變，在熱平衡計(jì)算中需考慮有相變的計(jì)算方法，兩物流在換熱過程中，其中一側(cè)物流發(fā)生相變化，如蒸汽冷凝或液體沸騰，其熱流量衡算式為：

一側(cè)有相變化：

兩側(cè)物流均發(fā)生相變化，如一側(cè)冷凝另一側(cè)沸騰的傳熱過程

Q=D1r1=D2r2

式中：r,r1,r2-物流相變熱，J/kg；D,D1,D2-相變物流量，kg/s；Q -熱負(fù)荷，kW；m -質(zhì)量流速kg/s；cp -比熱，kJ/kg℃；dt -介質(zhì)的進(jìn)出口溫度差，℃。

對(duì)于過冷或過熱物流發(fā)生相變時(shí)的熱流量衡算，則應(yīng)按以上方法分段進(jìn)行加和計(jì)算。

2.2 末端溫差及溫度交叉

對(duì)數(shù)平均溫差是換熱器傳熱的動(dòng)力，對(duì)數(shù)平均溫差的大小直接關(guān)系到換熱器傳熱難易程度。在管殼式換熱器中，在殼程中流動(dòng)的流體和換熱面交錯(cuò)并繞流，還存在旁流。而板式換熱器的冷熱流體在換熱器內(nèi)平行于換熱面，且無旁流；這樣使板式換熱器的末端溫差很小，并且可以存在溫度交叉。

設(shè)備的通道直徑即角孔和連接管的直徑，決定了物料的最大通過量。如選用了較大的通道直徑，在以后有需要時(shí)可以增加板片數(shù)量來提高物料處理量。直徑不足會(huì)限制物料的流量。

2.3 板式換熱器的傳熱系數(shù)的選取

板式換熱器的傳熱系數(shù)見表1。從表1可知，板式換熱器的傳熱系數(shù)約為管殼式的2～3倍。

2.4 推薦板式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

表1 板式換熱器的傳熱系數(shù)

(1)求熱負(fù)荷Q：

Q=GρCPΔt

(2)求冷熱流體進(jìn)出口溫度：

t2=t1+Q/GρCP

(3)冷熱流體流量：

G=Q/ρCP(t2-t1)

(4)求平均溫度差Δtm：

Δtm=(T1-t2)-(T2-t1)/In(T1-t2)/(T2-t1)或Δtm=(T1-t2)+(T2-t1)/2

(5)選擇板型：

若所有的板型選擇完，則進(jìn)行結(jié)果分析。

(6)由K值范圍，計(jì)算板片數(shù)范圍Nmin，Nmax；

Nmin=Q/KmaxΔtmFPβ；

Nmax=Q/KminΔtmFPβ；

(7)取板片數(shù)N（Nmin≤N≤Nmax）：

若N已達(dá)Nmax，做（5）。

(8)取N的流程組合形式，若組合形式取完則做（7）。

(9)求Re，Nu：

Re=Wde/ν；

Nu=a1Rea2Pra3

(10)求a，K傳熱面積F：

a=Nuλ/de

K=1/1/ah+1/ac+γc+γc+δ/λ0

F=Q/KΔtmβ

(11)由傳熱面積F求所需板片數(shù)NN：

NN=F/Fp+2

(12)若N＜NN，做（8）。

(13)求壓降Δp：

Eu=a4Rea5

Δp=EuρW2ф

(14)若Δp＞Δ允，做（8）；

若Δp≤Δ允，記錄結(jié)果，做（8）。

注1.（1）、（2）、（3）根據(jù)已知條件的情況進(jìn)行計(jì)算。

注2.當(dāng)T 1-t 2=T 2-t 1 時(shí)采用Δ t m=(T 1-t2)+(T2-t1)/2。

注3.修正系數(shù)β一般取0.7～0.9。

注4 . 壓 降 修 正 系 數(shù)ф ， 單 流 程ф 度=1～1.2，二流程、三流程ф=1.8～2.0，四流程ф=2.6～2.8。

注5.a1、a2、a3、a4、a5為常系數(shù)。

表2 選型計(jì)算各公式符號(hào)的意義及單位

在南海文昌、西江等多個(gè)采油平臺(tái)、浮式儲(chǔ)油船舶（FPSO）的換熱要求為油-油介質(zhì)，黏度小，雖然換熱系數(shù)相對(duì)其他介質(zhì)較小，但由于板式換熱器體積小、重量輕，相比管殼式換熱器還是有較大的優(yōu)勢(shì)，南海多個(gè)油氣田在原油介質(zhì)中使用的板式換熱器取得了良好的效益。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 楊崇麟. 板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 錢頌文. 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.