高溫高壓下兩種大溫差換熱器結(jié)構(gòu)的對比分析

陳 晨 張志遠(yuǎn)

（1.山東三維石化工程股份有限公司； 2.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展， 石化裝置在趨于大型化發(fā)展的同時，壓力、溫度也不斷提高。 在石化裝置中，換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%～45%［1］， 伴隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，通過熱交換器實(shí)現(xiàn)裝置能量的回收利用， 帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在此驅(qū)動下，這一占比越來越高。例如， 變換爐型式的發(fā)展從最初的絕熱型到內(nèi)置π 形換熱管束，形成可移熱、控溫式的變換爐，這種爐型可將變換反應(yīng)的副產(chǎn)熱量及時移走， 有效控制了變換爐的反應(yīng)溫度， 不僅有利于提高反應(yīng)深度，還能有效避免變換爐“超溫”現(xiàn)象。正因?yàn)閷闻_變換爐反應(yīng)深度的大幅度提升， 整個變換流程由早期的三段甚至四段爐全絕熱反應(yīng)， 縮短為現(xiàn)在的兩段控溫反應(yīng)或三段爐絕熱加控溫反應(yīng)。由此可見在提高裝置核心設(shè)備壓力、溫度的同時，巧妙地設(shè)計換熱管的布置結(jié)構(gòu)不僅能夠縮短工藝流程，減少占地面積，降低總投資，而且能保證整個裝置安全、長周期、高效的運(yùn)行。

筆者通過對兩個氨合成項(xiàng)目中不同結(jié)構(gòu)廢鍋換熱管的布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，為其他類似工況下?lián)Q熱器的優(yōu)化提供借鑒。

1 噴泉式結(jié)構(gòu)廢鍋

噴泉式結(jié)構(gòu)廢鍋主要設(shè)計參數(shù)見表1 （設(shè)備管程進(jìn)口管和熱箱設(shè)計溫度為440℃， 換熱管和管板設(shè)計溫度為400℃， 管箱和出口設(shè)計溫度為330℃），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

表1 噴泉式結(jié)構(gòu)廢鍋主要設(shè)計參數(shù)

從設(shè)計參數(shù)中可以看出，管程進(jìn)出口溫差高達(dá)142℃， 如果采用傳統(tǒng)的兩管程U 形管上下的布管方式，會使管板上半部與下半部存在較大的溫差，管板上下兩部分沿徑向膨脹不均勻，變形不協(xié)調(diào)會引起較大的溫差熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力與壓力產(chǎn)生的應(yīng)力相互疊加，導(dǎo)致無法采用常規(guī)設(shè)計對管板進(jìn)行計算，管板的數(shù)值模擬分析也將會變得異常復(fù)雜。 另一方面，由于管板變形不協(xié)調(diào)，有可能使管板與管、 殼程筒體的焊縫出現(xiàn)裂紋，并且管板分程隔板處的換熱管焊接接頭極易發(fā)生泄漏，導(dǎo)致?lián)Q熱器不能安全、長周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。 如果無法滿足長周期要求運(yùn)行的， 對于這種進(jìn)出口大溫差換熱器， 可能需要二級甚至三級換熱器進(jìn)行換熱。

圖1 噴泉式結(jié)構(gòu)廢鍋示意圖

從噴泉式結(jié)構(gòu)廢鍋示意圖中可以看出，該管板為周邊固支且受側(cè)向壓力作用的圓平板，其最大應(yīng)力在邊緣處，應(yīng)力方向?yàn)閺较颍?］。根據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn)，如布管示意圖所示，將高溫氣進(jìn)口布置在管板中間區(qū)域，將經(jīng)過換熱降溫后的氣體出口布置于管板周邊，這樣不僅可以對管板進(jìn)行常規(guī)計算，而且基本保證了整個管板沿各個方向熱膨脹的一致性，使得管板受力處于良好狀態(tài)，大幅降低了管頭泄漏的可能性。 但對于邊緣簡支型的管板， 如GB/T 151—2014 中第7.4.1 條圖a 所示的夾持管板［3］，其最大應(yīng)力在管板中心，根據(jù)應(yīng)力特點(diǎn)宜將高溫區(qū)設(shè)置于管板邊緣，低溫區(qū)設(shè)置于管板中心。

2 刺刀式結(jié)構(gòu)廢鍋

刺刀式結(jié)構(gòu)廢鍋主要設(shè)計參數(shù)見表2 （管程進(jìn)口管、熱箱和內(nèi)管設(shè)計溫度為420℃，管箱、出口管、換熱管和管板設(shè)計溫度為300℃），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

表2 刺刀式結(jié)構(gòu)廢鍋主要設(shè)計參數(shù)

圖2 刺刀式結(jié)構(gòu)廢鍋示意圖

如換熱管結(jié)構(gòu)簡圖所示，刺刀式結(jié)構(gòu)的換熱管是由兩根不同外徑的管子組成的，外管一端用堵頭封死，內(nèi)管兩端均為開口，熱氣由內(nèi)管進(jìn)入，在外管堵頭端折返后通過兩管環(huán)隙與殼程介質(zhì)進(jìn)行換熱。 內(nèi)管外壁需包覆或者噴涂一層特殊的隔熱材料，可有效阻止介質(zhì)在回流過程中進(jìn)行二次取熱，內(nèi)管出口端與外管堵頭端部還需要留有一定的熱膨脹空間。 由于管間隙內(nèi)為低溫介質(zhì)，使得管板的設(shè)計溫度大幅降低，同時整個管板溫度分布幾乎一致，外管一端又為自由端，不存在熱應(yīng)力的影響，因此外管與管板的焊接接頭泄漏的可能性較小，安全性高。

3 兩種結(jié)構(gòu)的對比分析

噴泉式結(jié)構(gòu)廢鍋與刺刀式結(jié)構(gòu)廢鍋的管程側(cè)均采用冷壁式結(jié)構(gòu)，即高溫氣從管箱內(nèi)部的熱箱進(jìn)入換熱管內(nèi)，讓換熱后的低溫介質(zhì)與管箱筒體接觸。 由于合成塔出口的合成氣中氫含量的摩爾比往往占到近60%，氫分壓較高，從納爾遜曲線［4］可以看出，氫分壓一定的情況下，溫度的變化對材料的選取影響極大。 在高溫高壓的臨氫環(huán)境中，采用冷壁式結(jié)構(gòu)可以大幅度降低設(shè)備造價。

噴泉式結(jié)構(gòu)采用發(fā)散的U 形管布置，設(shè)計過程中往往需要借助三維軟件進(jìn)行布管，需要對U形管進(jìn)行分區(qū)并按順序編號，工作量大，并且制造時組裝難度也大，對制造廠的要求比較高。 相比于刺刀式結(jié)構(gòu)，噴泉式結(jié)構(gòu)管板的金屬溫度明顯較大，管板與換熱管焊接接頭的可靠性略低。

刺刀式結(jié)構(gòu)布管比噴泉式結(jié)構(gòu)布管更加緊湊，在相同換熱面積下，刺刀式結(jié)構(gòu)換熱器直徑會小于噴泉式結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。 刺刀式結(jié)構(gòu)除了結(jié)構(gòu)簡單，制造過程組裝難度不大，設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定性高外， 還具有傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。 常規(guī)管殼式換熱器的換熱管為單管結(jié)構(gòu)，管內(nèi)介質(zhì)呈柱狀流動狀態(tài)，換熱器的傳熱系數(shù)取決于管內(nèi)介質(zhì)流速，流速的大小又決定了管內(nèi)介質(zhì)邊界層的厚度，因此管內(nèi)邊界層的厚度直接決定了其傳熱效率。 刺刀式結(jié)構(gòu)換熱管的管間介質(zhì)呈環(huán)狀膜態(tài)流動，具有穩(wěn)定的邊界層厚度，相比于單管結(jié)構(gòu)，盡管擁有較好的換熱性能，但是介質(zhì)在內(nèi)管出口端發(fā)生急劇180°流向改變，動能損失大，具有阻力降高的缺點(diǎn)；此外由于刺刀式結(jié)構(gòu)換熱管的內(nèi)管一側(cè)為自由端，若存在內(nèi)管出口端流速過高或者環(huán)隙間流速過高的情況，容易引發(fā)內(nèi)管振動，內(nèi)管振動后會使之外側(cè)的絕熱層松散或脫落，冷卻后的介質(zhì)會被再次加熱，降低傳熱效率，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生環(huán)隙堵塞。 介質(zhì)流速的確定是刺刀式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵， 確定合理的內(nèi)、外管徑不僅能避免振動，還能降低阻力降。

4 結(jié)束語

通過對比分析噴泉式結(jié)構(gòu)廢鍋與刺刀式結(jié)構(gòu)廢鍋的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能夠在一些裝置改造或者工藝流程優(yōu)化中， 結(jié)合上下游設(shè)備的工藝情況，對此類高溫高壓工況下、管程進(jìn)出口大溫差的換熱器提供一些設(shè)計思路和優(yōu)化方法。