航煤加氫裝置中纏繞管式換熱器節(jié)能降耗設(shè)計(jì)探討

沈文麗，范傳宏，張 旭

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

纏繞管式換熱器(Spiral Wounded Heat Exchanger)相對于普通的列管式換熱器具有不可比擬的優(yōu)勢【9】，適用溫度范圍廣，適應(yīng)熱沖擊，熱應(yīng)力自身消除，并且緊湊度高。由于其自身的特殊構(gòu)造，使得流場充分發(fā)展，不存在流動死區(qū)，特別是通常設(shè)置殼程單股、管程多股流體，能夠在1臺設(shè)備內(nèi)滿足多股流體的同時(shí)換熱。纏繞管式換熱器是一款高效緊湊的換熱器，通常位于裝置的關(guān)鍵部位，不但可以利用余熱，在節(jié)能環(huán)保方面也具有很重要的作用。

鎮(zhèn)海150 萬t/a加氫裂化裝置高壓冷換采用纏繞管式換熱器后【5】，中石化科技部鑒定意見認(rèn)為換熱器效率提高，整體達(dá)到了國際同類技術(shù)的先進(jìn)水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。燕山石化260萬t/a柴油加氫精制裝置，高壓換熱設(shè)備采用纏繞管式換熱器后，換熱效率高【6-7】，無內(nèi)漏。2013年裝置一次開車成功，精制柴油硫含量低于當(dāng)時(shí)京Ⅴ(10 μg/g)的標(biāo)準(zhǔn)。

本文結(jié)合國內(nèi)某180萬t/a航煤加氫裝置，詳細(xì)闡述纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，并對纏繞管式換熱器應(yīng)用于反應(yīng)產(chǎn)物與原料油混合氫換熱器的情況與管殼式換熱器做詳細(xì)設(shè)計(jì)對比分析。

1 纏繞管式換熱器應(yīng)用于航煤加氫裝置情況介紹

國內(nèi)某180萬t/a航煤加氫裝置反應(yīng)部分設(shè)計(jì)流程見圖1，其中設(shè)備4為立式安裝的纏繞管式換熱器。

1—原料油緩沖罐；2—反應(yīng)進(jìn)料加熱爐；3—加氫反應(yīng)器；4—反應(yīng)產(chǎn)物與原料油混合氫換熱器(纏繞管式)；5—反應(yīng)產(chǎn)物空冷器；6—低壓分離罐；7—混合氫分液罐；8—反應(yīng)進(jìn)料泵；9—混合氫壓縮機(jī)

國內(nèi)航煤加氫裝置的傳統(tǒng)方案中，反應(yīng)部分的反應(yīng)產(chǎn)物與原料油混合氫換熱器通常采用水平安裝的管殼式換熱器。

2 纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

纏繞管式換熱器設(shè)備外形結(jié)構(gòu)及原理示意如圖2所示。

圖2 纏繞管式換熱器設(shè)備外形及原理示意

1) 纏繞管可以采用單根繞制的加工方式，也可多根組焊后一起繞制。管內(nèi)可以僅通過一種介質(zhì)，這種纏繞管式換熱器稱為單通道型纏繞管式換熱器；也可分別通過幾種不同的介質(zhì)，而每種介質(zhì)所通過的傳熱管均匯集在各自的管板上，構(gòu)成多通道型纏繞管式換熱器。

2) 纏繞管式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內(nèi)將傳熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距。所以纏繞管式換熱器單位容積傳熱面積高、結(jié)構(gòu)緊湊，并可節(jié)省材料。管徑10 mm 的傳熱管，每m3容積的傳熱面積大約可達(dá)150 m2。

3) 纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)制造的技術(shù)參數(shù)不受壓力等級、裝置規(guī)模、板鍛件生產(chǎn)能力等因素的限制，適用于同時(shí)處理多種介質(zhì)且管內(nèi)介質(zhì)操作壓力較高的場合。目前國外該型式換熱器的最高操作壓力可達(dá)2 000 MPa，其高壓、高效的特點(diǎn)可滿足大型化裝置的設(shè)計(jì)需求。

4) 纏繞管式換熱器適用的溫度范圍廣，其纏繞式結(jié)構(gòu)適應(yīng)熱沖擊，能夠自身消除熱應(yīng)力，且傳熱管的熱膨脹可自行進(jìn)行補(bǔ)償。

5) 纏繞管式換熱器作為高效緊湊型換熱設(shè)備，可以在較低溫差下實(shí)現(xiàn)換熱，使得煉油行業(yè)的加氫裝置有可能通過采用高效的換熱設(shè)備使反應(yīng)進(jìn)料溫度達(dá)到反應(yīng)器的要求，從而取消反應(yīng)加熱爐或改用開工加熱爐，既可降低投資，又有利于降低裝置的操作成本。

6) 從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，國內(nèi)纏繞管式換熱器整體技術(shù)達(dá)到了國際同類技術(shù)的先進(jìn)水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。鎮(zhèn)海150萬t/a加氫裂化裝置高壓冷換采用纏繞管式換熱器后，中石化科技部鑒定意見認(rèn)為隨換熱器效率的提高，反應(yīng)進(jìn)料加熱爐的負(fù)荷明顯下降，大量節(jié)約燃料消耗，標(biāo)定中比設(shè)計(jì)值低19%。燕山石化260萬t/a柴油加氫精制裝置，2013年開工運(yùn)行后，加熱爐僅點(diǎn)長明燈即可，2016年改造為185萬t/a蠟油加氫裝置，利舊設(shè)備仍能很好地適應(yīng)新工藝工況。

3 纏繞管式換熱器技術(shù)特色

由于纏繞管式換熱器自身具有特殊的構(gòu)造，使得其流場能夠充分發(fā)展，不存在流動死區(qū)。纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)示意見圖3。

圖3 纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)示意

技術(shù)方面纏繞管式換熱器有幾點(diǎn)技術(shù)精髓,具體如下：

1) 采用精準(zhǔn)的換熱管間距。不銹鋼管材因?yàn)槠洳馁|(zhì)的原因?qū)е铝嗽趶澢蛘呃p繞的時(shí)候很難具有塑性，為實(shí)現(xiàn)所有換熱管間距統(tǒng)一的要求帶來了很大的困難，是因此加工時(shí)要求具有完備的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)、高精度設(shè)備和頂尖的纏繞工藝。

2) 對于單股流的結(jié)構(gòu),采用合理的管程數(shù)量以及程間距。在換熱管束纏繞時(shí)，每程相對的管徑都在發(fā)生變化，盤繞角度又要保持一致，因此要保證每根換熱管的長度基本相同是很難做到的。采用每程換熱管不同數(shù)量，以及合理的程間距方案就克服了這一難題，同時(shí)也滿足了復(fù)雜換熱條件下的流道要求。

3) 采用自動化的機(jī)器人焊接流程。在設(shè)備生產(chǎn)的過程當(dāng)中，采用自動化的機(jī)器人焊接，可保證所有焊點(diǎn)尤其是管板焊接都實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，安全性能極高。

4) 纏繞管式換熱器作為高效緊湊型換熱設(shè)備，在相同條件下，與常規(guī)換熱器相比，設(shè)備數(shù)量減少、占地空間小,方便安裝，且高壓法蘭、管道等配管工作量小。

5) 不同介質(zhì)之間壓差和溫差的高低，包括開停車時(shí)升降溫的速率，均沒有限制。

6) 采用纏繞管式換熱器，密封面小，高溫、高壓條件下密封可靠；耐壓性能好，不受工況波動的影響，操作可靠，維護(hù)方便。

4 技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益

4.1 技術(shù)參數(shù)對比分析

表1列出了航煤加氫裝置的反應(yīng)產(chǎn)物與原料油混合氫換熱器節(jié)能設(shè)計(jì)方案中分別采用纏繞管式換熱器和管殼式換熱器與常規(guī)設(shè)計(jì)方案中采用管殼式換熱器的技術(shù)參數(shù)的對比。

表1 纏繞管式換熱器和管殼式換熱器技術(shù)參數(shù)對比

由表1可知:

1) 當(dāng)采用節(jié)能方案時(shí)，只需要1臺直徑為2 100 mm、換熱面積為5 875 m2的纏繞管式換熱器，而如果采用管殼式換熱器，則需要8臺直徑1 500 mm、換熱面積1 022 m2的管殼式換熱器；常規(guī)設(shè)計(jì)采用相同規(guī)格管殼式換熱器所需臺數(shù)為4臺；節(jié)能方案管殼式換熱器臺數(shù)是常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)的2倍；由于臺位數(shù)增加，價(jià)格和占地也相應(yīng)同比增加至2倍。

2) 常規(guī)設(shè)計(jì)中熱介質(zhì)的入口溫度比冷介質(zhì)的出口溫度高出19 ℃，在節(jié)能方案設(shè)計(jì)中，熱介質(zhì)的入口溫度比冷介質(zhì)的出口溫度僅高出5 ℃，實(shí)現(xiàn)了深度換熱，有效節(jié)省裝置熱能。

3) 節(jié)能方案中采用纏繞管式換熱器時(shí)，管側(cè)加殼側(cè)總壓降之和不大于200 kPa，小于常規(guī)設(shè)計(jì)中管殼式換熱器管側(cè)加殼側(cè)總壓降之和650 kPa，壓力損失小，節(jié)省裝置電能消耗。

4) 節(jié)能方案換熱器熱負(fù)荷為45.7 MW，常規(guī)設(shè)計(jì)為41.9 MW。其熱量回收對比詳見4.2.1節(jié)。

5) 由于纏繞管式換熱器采用立式安裝方式，且不需要考慮抽芯檢修空間，裙座外徑尺寸僅為3 100 m，占地僅為5 m×5 m；常規(guī)設(shè)計(jì)中管殼式換熱器的占地為8.3 m×8.3 m，節(jié)能方案管殼式換熱器占地為其2倍，可見，纏繞管式換熱器占地遠(yuǎn)小于節(jié)能設(shè)計(jì)中管殼式換熱器的占地，也小于常規(guī)設(shè)計(jì)中管殼式換熱器的占地。

節(jié)能方案中采用纏繞管式換熱器，設(shè)備概算為1 800萬元，較管殼式換熱器僅增加200萬元。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益對比分析

由于采用纏繞管式換熱器實(shí)現(xiàn)了深度換熱，多回收了熱量，提高了圖1中設(shè)備2(反應(yīng)進(jìn)料加熱爐)的入口溫度，從而降低了加熱爐負(fù)荷，節(jié)省了大量燃料氣有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。另外，如圖1所示，裝置反應(yīng)部分壓降由設(shè)備9(混合氫壓縮機(jī))提供，由于采用的纏繞管式換熱器設(shè)備運(yùn)行壓降低，從而節(jié)約了壓縮機(jī)的動力消耗，節(jié)約了電費(fèi)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了裝置的節(jié)能降耗。

反應(yīng)產(chǎn)物與原料油混合氫換熱器采用節(jié)能設(shè)計(jì)的纏繞管式換熱器，與常規(guī)方案設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益對比分析見表2。

表2 纏繞管式換熱器和管殼式換熱器經(jīng)濟(jì)效益對比

4.2.1 采用節(jié)能方案纏繞管式換熱器多回收熱量

由表2可知：采用節(jié)能方案纏繞管式換熱器由于實(shí)現(xiàn)了深度換熱冷、熱溫差僅為5 ℃，比常規(guī)設(shè)計(jì)多回收熱量3.8 MW，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4.2.2 采用節(jié)能方案纏繞管式換熱器顯著降低了燃料氣的消耗

由圖1可知：由于設(shè)備3(加氫反應(yīng)器)所需的入口溫度固定(該溫度通常由催化劑供應(yīng)商提供)，所以流出設(shè)備4(反應(yīng)產(chǎn)物與原料油混合氫換熱器)的被加熱介質(zhì)溫度越高，則設(shè)備2(反應(yīng)進(jìn)料加熱爐)所需的負(fù)荷越低。由于采用節(jié)能方案纏繞管式換熱器實(shí)現(xiàn)了深度換熱，比常規(guī)設(shè)計(jì)多回收熱量，設(shè)備4被加熱介質(zhì)原料油混合氫(即通常所說的混氫油)溫度相對較高，加熱爐所需的負(fù)荷相對低，因而燃料氣消耗也降低。

年操作時(shí)間按8 400 h、燃料氣量按照模擬中加熱爐正常操作熱負(fù)荷和換熱器中熱量損失部分計(jì)算，由表2可知，年節(jié)約燃料氣2 956 t。燃料氣的低熱值41 680 kJ/kg，爐子效率按92%、燃料氣價(jià)格按2 500元/t計(jì)算，年節(jié)約燃料費(fèi)740萬元，20年可節(jié)省總投資1.5億元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

4.2.3 采用節(jié)能方案纏繞管式換熱器節(jié)省電費(fèi)

將節(jié)能設(shè)計(jì)方案中采用纏繞管式換熱器的情況與常規(guī)方案采用管殼式換熱器的情況進(jìn)行比較可知，由于纏繞管式換熱器壓降減小了450 kPa，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)軸功率相應(yīng)減小約34 kW，按照用電價(jià)格0.5元/(kW·h)度，電費(fèi)減少14.3萬元/a。

4.2.4 采用節(jié)能方案纏繞管式換熱器節(jié)省操作費(fèi)用

由表1可知：節(jié)能方案中的纏繞管式換熱器與管殼式換熱器相比較，設(shè)備投資相差不大(僅相差200萬元)，而操作費(fèi)用中的燃料費(fèi)和電費(fèi)每年可節(jié)省750多萬元。

5 結(jié)論

綜上所述，纏繞管式換熱器溫度、壓力適用范圍廣，可廣泛應(yīng)用于高溫、高壓工作環(huán)境，適用于高低壓差大以及多種介質(zhì)同時(shí)參與的工況，而且結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、占地小，優(yōu)勢顯著【10-13】。根據(jù)文中的經(jīng)濟(jì)效益對比分析可以看出，纏繞管式換熱器替代傳統(tǒng)換熱器經(jīng)濟(jì)效益顯著，是綠色環(huán)保型設(shè)備，將在企業(yè)節(jié)能降耗運(yùn)營中發(fā)揮越來越大的作用。