化工裝置換熱器布置與配管

苗利寧

(華陸工程科技有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000)

換熱器是進(jìn)行熱量交換的典型工藝設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油化工、動力、冶金等行業(yè)中,尤其是在石油加工和化工裝置中占有舉足輕重的地位。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),僅煉油廠的換熱設(shè)備投資即占全部工藝設(shè)備總投資的35%～40%。隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn),各種先進(jìn)、高效的換熱器大量涌現(xiàn),管殼式換熱器依仗自身的技術(shù)優(yōu)勢,依然在換熱器市場中占有主導(dǎo)地位。

1 臥式換熱器分類

(1)固定管板換熱器(沒有抽芯)見圖1。

圖1 固定管板換熱器(沒有抽芯)

(2)U形管換熱器(有抽芯)見圖2。

圖2 U形管換熱器(有抽芯)

(3)BKU(釜式)型管換熱器(有抽芯)見圖3。

圖3 BKU(釜式)型管換熱器(有抽芯)

(4)浮頭式換熱器(有抽芯)見圖4。

圖4 浮頭式換熱器(有抽芯)

2 換熱器布置

2.1 布置要求

(1)換熱器設(shè)備優(yōu)先考慮布置在地面上,但數(shù)量較多,占地面積受限制時(shí)可布置在構(gòu)架上。

(2)成排布置的換熱器設(shè)備,支座基礎(chǔ)中心線宜對齊,當(dāng)基礎(chǔ)間距不一致時(shí),宜取一端基礎(chǔ)中心線對齊,常見的是固定端對齊。

(3)為提高換熱效率,兩種物料進(jìn)行熱交換的換熱器宜布置在距離兩種物料進(jìn)出口管道最近的位置。

(4)為有效節(jié)約占地面積、減少項(xiàng)目總投資,可采用將兩臺換熱器重疊布置在一起的方式,但對于殼體直徑≥1.6 m的換熱設(shè)備不宜重疊布置,操作壓力≥4 MPa的換熱器或兩相流介質(zhì),為避免振動影響,也不建議重疊布置。

(5)為方便操作維修,兩臺換熱器的凈距不宜小于0.8 m。

(6)常規(guī)浮頭式、U形管換熱器需要抽芯,兩端需朝向空曠地帶,便于抽芯維修,抽芯空間為管長加1.5 m。

(7)對于需要抽芯的換熱器,在布置時(shí)盡可能避免設(shè)備中心線正對框架或管廊立柱的中心線,避免因抽芯端部空間不足而發(fā)生碰撞。

(8)框架上布置尺寸較大的換熱器,在遇到框架長度無法滿足的情況下,需要兩端局部外挑平臺來滿足人員通行及維修空間。

(9)換熱器的安裝高度應(yīng)保證管道距離平臺面或地面凈空高度≥150 mm,排凈閥門到地面或平臺面凈空高度需滿足≥100 mm的要求;某些用機(jī)泵抽吸的換熱器的安裝高度應(yīng)高于泵的必需汽蝕余量(NPSH)r。特別要說明的是,對于個(gè)別換熱器下部應(yīng)力管線,還要考慮彈簧的安裝空間。

(10)操作溫度≥物料自燃點(diǎn)或超過250 ℃的換熱器的上下側(cè),在沒有不燃燒材料的隔板隔離保護(hù)的情況下,不應(yīng)布置其他可燃介質(zhì)設(shè)備。

2.2 布置步驟

(1)接收工藝專業(yè)流程圖(PFD)和設(shè)備數(shù)據(jù)表后,首先從數(shù)據(jù)表中設(shè)備類型一欄里判斷需要抽芯的換熱設(shè)備。

(2)按照工藝流程及上述布置要求繪制初版換熱設(shè)備布置圖,設(shè)備基礎(chǔ)高度可暫定為800 mm。

(3)根據(jù)工藝管徑大小確定換熱設(shè)備初始間距,最好為2m、2.5m、3m等定位形式。

(4)根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)工藝專業(yè)管道、儀表流程圖(PID)資料及設(shè)備工程圖來進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備間距及基礎(chǔ)高度。

3 換熱器配管

3.1 配管要求

換熱器的典型工藝流程見圖5。

圖5 換熱器的典型工藝流程

3.2 布置步驟

(1)在滿足工藝要求的前提下,管道布置不應(yīng)影響設(shè)備抽芯,應(yīng)追求人性化設(shè)計(jì),特別注意不應(yīng)妨礙操作和檢修通道。帶有閥門和調(diào)節(jié)閥組的管道應(yīng)靠近換熱器一側(cè)布置,閥組盡量靠近設(shè)備,且與設(shè)備平行布置。

(2)對于無調(diào)節(jié)手段的單向流體進(jìn)入并聯(lián)的冷換設(shè)備,管道布置宜對稱,出入口管道應(yīng)按圖4(a)或圖4(b),不宜按圖4(c)布置,進(jìn)出口匯集管不應(yīng)縮徑。

圖6 并聯(lián)換熱器進(jìn)出口管道布置

(3)與換熱器相接的含有固體顆粒介質(zhì)或易凝介質(zhì)的管道的旁路切斷閥應(yīng)設(shè)在水平管道上,并防止形成死區(qū)積液。

(4)一般情況下,冷卻水從換熱器下部入口進(jìn)入,特別要注意的是,在冷卻水總管埋地敷設(shè)時(shí),冷卻水入口管道不宜與設(shè)備管嘴正對相接,一旦現(xiàn)場施工誤差,將會無法連接,此問題在實(shí)際過程中經(jīng)常發(fā)生。

(5)對于在寒冷地區(qū)室外冷卻水的上下水管道,應(yīng)設(shè)置排液閥和防凍連通管,以便在停車或者檢修時(shí),將管內(nèi)和設(shè)備里的存水排凈,工藝專業(yè)一般設(shè)置1’(25.4 mm)小管線保證上下水一直處于流動狀態(tài),避免在停工或檢修維護(hù)時(shí)凍裂設(shè)備,通常推薦的配管方案見圖7。

圖7 上下水管道的排液閥典型布置注:(b)方案適用于換熱器自帶排凈閥門的情況。

(6)當(dāng)換熱器鞍座上方有管口時(shí),一般鞍座的下方結(jié)構(gòu)專業(yè)會布置支撐梁,推薦配管方案見圖8(b)。需要說明的是,(a)方案會與換熱器支撐梁碰撞,(b)方案則不會。

圖8 換熱器上部出口管道布置

(7)當(dāng)工藝管道尺寸與換熱設(shè)備管口口徑不一致時(shí),需要用異徑管來連接設(shè)備管口,布置在水平管道上的異徑管應(yīng)采用偏心(底平)(見圖9(a)),若采用同心異徑管,則應(yīng)布置在垂直管道上,避免存液(見圖9(b))。

圖9 換熱器進(jìn)口管道上異徑管布置

(8)管道不宜布置在換熱器軸線的正上方,以免影響換熱器的吊裝和檢修,調(diào)節(jié)閥組應(yīng)平行于冷換設(shè)備一側(cè)布置。

(9)對于換熱設(shè)備的管道布置,只能出現(xiàn)一個(gè)高點(diǎn)、一個(gè)低點(diǎn),要避免中間產(chǎn)生“液袋”或者“氣袋”,并在高點(diǎn)處設(shè)置放空,低點(diǎn)設(shè)置放凈;在換熱設(shè)備區(qū)域內(nèi),布置管道應(yīng)盡可能避免管道交叉和繞行布置;盡量減少管道架空的層數(shù),通常為2、3層為宜。

(10)布置工藝管道時(shí)應(yīng)特別注意冷、熱流的流向,一般熱流由上而下,冷流自下而上。

(11)換熱器管道上的儀表組件安裝應(yīng)方便操作和檢修,高度不宜大于2.5 m。

(12)對于換熱器端頭有管口的情況,管道布置應(yīng)考慮能將管道拆除,以便設(shè)備的檢修(見圖10),在無法滿足下圖所示的方式時(shí),會采用增加拆卸法蘭的方式解決維修問題。

圖10 換熱器端頭管道布置

(13)在管道熱應(yīng)力滿足的情況下,需考慮管道尺寸最短和彎頭最少,減少不必要焊縫及焊接達(dá)因數(shù),降低施工成本。

4 換熱器管道的支吊架設(shè)計(jì)

高溫管道的布置方案應(yīng)該考慮足夠的自然補(bǔ)償能力,依據(jù)應(yīng)力計(jì)算報(bào)告合理設(shè)置固定支架和導(dǎo)向支架,避免管道的反作用力集中到設(shè)備管口上。對于換熱器下方管口連接的管道,如果在垂直彎頭處設(shè)置剛性支架,則會限制換熱器管口和管道向下膨脹,會造成設(shè)備管口和管道支架處的熱應(yīng)力非常大,甚至在出現(xiàn)檢修、水壓試驗(yàn)時(shí),管口處很難插入盲板的現(xiàn)象,最好按圖11(b)的方案設(shè)置。

5 換熱器的固定端設(shè)計(jì)

通常在靠近管廊側(cè)設(shè)計(jì)為換熱器的固定端,當(dāng)換熱器與地下管道連接時(shí),則需要在靠近地下管道側(cè)設(shè)計(jì)為換熱器的固定端(見圖12),對于溫度比較高的換熱設(shè)備,固定端的選擇要考慮熱管道的柔性問題。

圖11 換熱器下方管道布置

圖12 換熱設(shè)備固定端設(shè)置

6 結(jié)語

在化工裝置里,換熱設(shè)備作為常見設(shè)備之一,在滿足工藝要求的前提下,合理的設(shè)備布置與管道布置不僅能夠很好地保證裝置開車成功,還能夠方便工人檢修操作,且能夠大大降低投資成本、減少占地面積。合理規(guī)范的配管設(shè)計(jì)是提高換熱效率的先決條件,是保證工藝裝置安全運(yùn)行的可靠保證。