常見換熱器管道布置淺析

張永祥

(中石化洛陽工程有限公司,河南 洛陽 471000)

隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施,國家對能耗低控制指標(biāo)不斷細(xì)化。作為重要過程設(shè)備的換熱器在石油、化工、核電、冶金等行業(yè)的熱量回收和綜合利用中發(fā)揮著重要的作用。

工業(yè)生產(chǎn)中,換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體,使流體的溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)。在化工廠中,換熱設(shè)備的投資占總投資的 10%～20%;煉油廠中,約占總投資的 35%～40%。近年來,換熱設(shè)備在能量儲存、轉(zhuǎn)化、回收,以及新能源的利用和污染治理中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 管殼式換熱器分類

管殼式換熱器具有可靠性高、適應(yīng)性廣泛等特點(diǎn),在各個工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,近年來隨著工業(yè)進(jìn)程的加劇,管殼式換熱器技術(shù)更加成熟。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),煉化行業(yè)管殼式換熱器可以分為固定管板式、浮頭式、U 形管式以及釜式重沸器等[1]。

1.1 U 形管式換熱器

U 形管式換熱器(見圖1)特點(diǎn):只有一塊管板,管束由多根 U 形管組成,U 形管兩端固定在同一塊管板上,管子可以自由伸縮,殼體與換熱管有溫差時,不產(chǎn)生熱應(yīng)力。能夠抽出管束,方便清掃傳熱管外壁,承壓部件少,可以減輕重量,管板及殼體法蘭少,結(jié)構(gòu)簡單,便于制造,適用于管內(nèi)走清潔、不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的物料。

圖1 U 形管換熱器示意圖

缺點(diǎn):管束內(nèi)層管間距較大,管板利用率低,內(nèi)層傳熱管不便維修,當(dāng)傳熱管泄漏損壞時,只有管束外圍處傳熱管便于更換,內(nèi)層傳熱管一旦損壞,只能堵死,報廢率較高。

1.2 釜式換熱器

釜式換熱器(見圖2)特點(diǎn):管束可以是浮頭式、U 形管式和固定管板式,不同于其他形式換熱器,殼體上部設(shè)置一個蒸發(fā)空間,蒸發(fā)空間大小由產(chǎn)汽量和所要求蒸汽品質(zhì)決定。產(chǎn)汽量大、蒸汽品質(zhì)高,蒸發(fā)空間所需相對較大。作為余熱鍋爐其結(jié)構(gòu)簡單,清理維修方便,可用于不清潔、易結(jié)垢介質(zhì),并能承受高溫高壓的工況,為取得廉價蒸汽而被廣泛應(yīng)用。

圖2 釜式換熱器示意圖

1.3 浮頭式換熱器

浮頭式換熱器(見圖3)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):兩端管板中只有一端與殼體固定,另一端可相對殼體自由移動,管束可以從殼體中抽出,管束與殼體之間的相對熱變形互不約束,因而不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。

圖3 浮頭式換熱器示意圖

浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱管間及其內(nèi)部便于清洗,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價比固定管板式換熱器高,設(shè)備笨重,材料消耗大,制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束間壁溫差較大或殼體易結(jié)構(gòu)的場合。

1.4 固定管板式換熱器

固定管板式換熱器(見圖4)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):管束連接在管板上,管板與殼體焊接。

圖4 固定管板式換熱器示意圖

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,緊湊,承壓能量強(qiáng),造價低,管程清洗方便,傳熱管損壞時易于更換或者堵管

缺點(diǎn):當(dāng)管束與殼體壁溫或者材料線膨脹系數(shù)相差較大時,殼體和管束間將產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。

適用于殼體側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗,管程及殼程兩側(cè)溫差不大或溫差大但殼程側(cè)壓力不高的場合,應(yīng)用場合較少。

2 換熱器布置

2.1 換熱器基礎(chǔ)

換熱器基礎(chǔ)高度應(yīng)當(dāng)在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上,盡量低。工藝有要求時,可以將換熱器布置在工藝規(guī)定高度的地面基礎(chǔ)或者構(gòu)架上。在地面及構(gòu)架上布置的換熱器的基礎(chǔ)高度,由管程或者殼程下側(cè)排放管尺寸決定。

對于換熱設(shè)備管道布置中出現(xiàn)的低點(diǎn),工藝多要求密閉排放至總管,統(tǒng)一處理,如圖5所示。依據(jù)減少死區(qū)的原則,第一道閥門應(yīng)安裝在立管上。尤其是地面上,主管以法蘭+法蘭蓋形式伸出地面,密閉排放管線連接至主管側(cè)面,如圖6所示,因此在設(shè)置密閉排放時需注意管子與地面凈空,保證管子及保溫不與地面發(fā)生碰撞,同時要考慮排放管與主管連接時焊縫間距應(yīng)滿足規(guī)范要求。尤其對于排放口徑為DN50法蘭閥,不僅要考慮焊縫間距,同時還應(yīng)注意螺栓的抽出,盡量避免DN50法蘭與主管三通或凸臺最小連接,圖7 為換熱器基礎(chǔ)高度計算示意圖。

圖5 低點(diǎn)排凝示意圖

圖6 密排連接示意圖

圖7 換熱器基礎(chǔ)高度計算示意圖

以設(shè)備下部嘴子接出管底距地坪或平臺凈空不小于 150 mm 為原則,當(dāng)管底有放凈閥時,放凈閥至地坪或平臺至少應(yīng)有 150 mm 凈空。

換熱器的基礎(chǔ)高度取決于排放管尺寸及凈空,管程及殼程下側(cè)管嘴距基礎(chǔ)距離,法蘭及彎頭尺寸,即:

Int(H) =W+Y+X

式中:W,法蘭+彎頭 ;Y,排放管尺寸及凈空 ;X,管子半徑 。

根據(jù)上述計算結(jié)果取整,同時如果多臺換熱器并排,可根據(jù)實(shí)際情況在一定范圍內(nèi)相鄰換熱器基礎(chǔ)高度取齊。多臺換熱器并排如若支座間距不同,宜取一端對齊,如圖8所示。這樣便于施工,且美觀。

圖8 進(jìn)料泵出平臺構(gòu)架3D模型圖

圖8 多臺換熱器布置示意圖

換熱器固定端宜朝向便于檢修側(cè)或者道路,便于機(jī)械設(shè)備吊裝就位,有利于換熱器管束的抽芯維護(hù)。同時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況,在靠近封頭端設(shè)置檢修區(qū)域,避免檢修時換熱器頭蓋放置在平臺或構(gòu)架上時因荷載過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)梁變形。操作溫度高于自燃點(diǎn)的換熱器上方不宜布置操作溫度低于自燃點(diǎn)的設(shè)備,若要在其上方布置,則應(yīng)用不燃燒材料的封閉式樓板隔離,且封閉式樓板應(yīng)為無泄漏樓板。對于布置于無泄漏平臺上的換熱器,每 100 m2至少設(shè)置一個含油污水地漏,地漏上表面與平臺上表面平齊,便于地面含有污水或初期雨水的排放。換熱器的布置還應(yīng)考慮介質(zhì)的操作溫度是否高于自燃點(diǎn),高于自然點(diǎn)的換熱器與低于自燃點(diǎn)的甲B類及乙A類可燃液體或甲類可燃?xì)怏w設(shè)備間距不應(yīng)小于 4.5 m,與低于自燃點(diǎn)的液化烴設(shè)備間距不應(yīng)小于 7.5 m[2]。

隨著裝置大型化,管道的管徑也不斷增大,同時寒冷地區(qū)管道保溫隨之增厚。在確認(rèn)換熱器廠家資料時,需要注意殼程下側(cè)管嘴與基礎(chǔ)間距,避免管嘴或保溫與基礎(chǔ)碰撞以及管嘴法蘭螺栓無法拆卸的情況發(fā)生。會簽圖紙時應(yīng)提醒設(shè)備專業(yè)注意該問題,穩(wěn)妥起見最好在委托中標(biāo)出法蘭外延與鞍座之間的距離,便于結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計時進(jìn)行核對如圖9所示,圖10為現(xiàn)場管嘴與換熱器基礎(chǔ)碰撞。

圖9 管嘴與基礎(chǔ)示意

圖10 現(xiàn)場碰撞實(shí)例

2.2 操作及檢修空間

換熱器的管線布置同時應(yīng)滿足以下幾點(diǎn):

(1)保證管束抽出空間。在地面上時,浮頭式管箱前端應(yīng)預(yù)留比管束長度長 1.5 m 空地。在構(gòu)架上時,前端平臺凈距不宜小于 1 m。

(2)為方便檢修,換熱器進(jìn)出口管道及閥門均應(yīng)與設(shè)備頭蓋法蘭保持一定距離,并以方便拆卸螺栓為原則,一般凈距為 300 mm 為宜,如圖11所示。

圖11 管道與換熱器相對位置示意

(3)設(shè)備之間凈距應(yīng)不小于 700 mm,如果有管道或閥門,應(yīng)預(yù)留有不小于 800 mm 的操作通道[3],如圖12所示。

圖12 換熱器間管道間距示意

(4)換熱器的固定點(diǎn)一般設(shè)置在管箱端,此時連接浮頭端管嘴的管道必須考慮因換熱器的熱脹產(chǎn)生的位移影響,以防止管嘴受力過大而造成泄漏。

(5)操作溫度等于或高于自然點(diǎn)或 250 ℃的換熱器上方和下方,如無不燃材料的隔板隔離保護(hù),不應(yīng)布置其他可燃介質(zhì)設(shè)備[4]。

(6)為了避免設(shè)備吊裝以及檢修不便,管線盡量避免布置在設(shè)備軸線正上方[5]。

3 實(shí)例分析

3.1 立式重沸器布置

塔釜液位影響蒸發(fā)和回液平衡,還可控制進(jìn)料停留時間,立式重沸器換熱效果與塔釜液位有關(guān),液位較低時換熱效果較差,因此塔底重沸器的布置方式需經(jīng)專利商確認(rèn)。設(shè)備的布置應(yīng)首先滿足工藝要求,再考慮管線熱脹等因素。

以某歧化裝置苯塔重沸器(見圖13)為例,專利商要求重沸器管程出口與苯塔距離盡量小,采用如圖14布置方式,現(xiàn)場管道及設(shè)備布置如圖15所示。該方式重沸器出口與苯塔直接連接,可以減少壓降和有效利用空間,但該方式下,塔受溫度影響而向上膨脹,帶動重沸器移動,因此重沸器的支撐不能采用固定支撐,需采用彈簧。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果表明,重沸器不同支撐部位受力不同,采用的彈簧不同。重沸器尺寸及操作重量均較大,由于單一彈簧穩(wěn)定性不足,管道內(nèi)介質(zhì)擾動易造成重沸器晃動,彈簧的形式應(yīng)選擇組合式彈簧箱,如圖16所示。設(shè)備支耳底地面與下層平臺凈距 502 mm,選擇彈簧箱即可以起到穩(wěn)定作用,同時彈簧箱可以自定義高度及底板大小,便于設(shè)置平臺和支撐。

圖13 立換示意圖

圖14 苯塔重沸器布置示意圖

圖15 現(xiàn)場立式重沸器實(shí)例

圖16 立式重沸器彈簧箱

檢修時,立式重沸器管束向上抽出,因此重沸器管箱正上方應(yīng)避免有管道及其他設(shè)施,影響管束抽出。隨著裝置大型化的要求,管道也逐漸大型化,上述重沸器管程及殼程進(jìn)口管徑達(dá)到了DN1150。設(shè)置彈簧箱時考慮彈簧箱與管道相對走向,避免彈簧箱受力不均。由于彈簧箱底座尺寸一般大于結(jié)構(gòu)支撐梁,為了避免彈簧箱傾覆或結(jié)構(gòu)梁受水平推力扭曲,建議結(jié)構(gòu)梁上預(yù)設(shè)一塊尺寸大于彈簧箱底座鋼板,且在鋼板與結(jié)構(gòu)梁間設(shè)加強(qiáng)筋,如圖17所示。

圖17 彈簧箱底板與結(jié)構(gòu)梁間加強(qiáng)

3.2 臥式重沸器管道布置

以某歧化裝置甲苯塔重沸器為例,重沸器基礎(chǔ)高度將影響重沸器與甲苯塔釜液相對液位,從而影響換熱效率,因此重沸器的基礎(chǔ)高度及管線布置需經(jīng)專利商審查,以滿足其要求。

對于重沸器出口,專利商要求重沸器返回管線上不能有過多的垂直管段,有且只能有一個垂直管段,管道布置見圖18所示。由于這一要求,造成垂直管段過長,因此需在水平方向上增加彎頭,改變管道走向,增加管道柔性,吸收管線熱脹位移。

圖18 甲苯塔重沸器布置示意圖

殼程進(jìn)口出現(xiàn)下U,低點(diǎn)設(shè)置排凝。臥式重沸器不隨塔的熱脹而移動,因此支座均固定于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。甲苯塔出口為 DN900,分兩路 DN600,進(jìn)入重沸器殼程,由于重沸器鞍座固定于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,因此可將重沸器殼程入口視為在豎直方向上固定,因此管嘴以下管道將向下變形,支架的設(shè)置應(yīng)遠(yuǎn)離管嘴,支架位置設(shè)置如圖19所示。該處支架考慮到重沸器殼程進(jìn)口管道柔性,避免由于重沸器殼程進(jìn)口管嘴受力過大造成的泄漏。上部布置方案經(jīng)應(yīng)力計算,滿足管道柔性的要求,同時經(jīng)專利商審查,滿足專利商要求的需求,現(xiàn)場管道及設(shè)備布置見圖20所示。

圖19 殼程進(jìn)口布置示意

圖20 臥式重沸器實(shí)例

由于裝置大型化以及工藝包專利商要求,大型裝置塔的臥式重沸器安裝高度均較高,為滿足要求設(shè)備一般安裝在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架上。重沸器出口管線管徑大,且內(nèi)部為兩相流,內(nèi)部介質(zhì)流速不均勻,介質(zhì)不斷對管道及設(shè)備沖擊,易造成設(shè)備及管線震動,設(shè)計之初建議對結(jié)構(gòu)以及管線支吊架進(jìn)行加固。鋼結(jié)構(gòu)立面增加斜撐,增加結(jié)構(gòu)剛度。彈簧剛度過小,管線受沖擊時震動越劇烈,彈簧剛度過大,則不利于管線變形,因此應(yīng)選用適宜剛度,吸收傳遞管線震動,同時兼顧管道柔性要求。

3.3 釜式蒸汽發(fā)生器管道布置

釜式蒸汽發(fā)生器主要是利用塔頂氣熱量產(chǎn)生蒸汽,以供裝置使用,提高能源利用率,節(jié)省資金。以某歧化重芳烴塔蒸汽發(fā)生器為例,利用重芳烴塔塔頂氣熱量,產(chǎn)生低低壓蒸汽,輸送入系統(tǒng)管網(wǎng),同時對塔頂氣體冷卻,進(jìn)入下一步工藝流程。該裝置中甲苯塔頂蒸汽發(fā)生器利用甲苯塔頂氣熱量,產(chǎn)生超低壓蒸汽,以供余熱發(fā)電部分使用。

不同于浮頭式、U 形管式以及管板式換熱器,釜式蒸汽發(fā)生器除了管程及殼程進(jìn)出口外,包含諸如液位計、溫度計、壓力表等附屬設(shè)施,在布置管程及殼程進(jìn)出口管線時,同時要考慮附屬設(shè)施的布置及操作。一般在釜式換熱器頂部設(shè)置平臺,以便操作頂部閥門及儀表件等。

某重芳烴塔蒸汽發(fā)生器為三臺并聯(lián),工藝無對稱要求,布置方式見圖21所示。由于安全閥有六組,數(shù)量過多,無法布置在塔頂平臺,因此布置在臨近構(gòu)架上。為了防止塔熱脹造成安全閥放空管線移位,安全閥布置在遠(yuǎn)離塔頂管線,熱脹影響較小一端。由于管線管徑均較大,塔頂出口管線管徑為DN1000,蒸汽發(fā)生器管程進(jìn)口均為 DN750,操作溫度 179 ℃,壓力 0.05 MPa,需要吸收塔頂管線及蒸汽發(fā)生器管程進(jìn)口管線熱脹,在布置過程中,增加“π”彎,增強(qiáng)管線柔性。

圖21 重芳烴塔頂重沸器布置示意圖

對于某歧化裝置甲苯塔頂蒸汽發(fā)生器,工藝要求兩臺發(fā)生器對稱布置,進(jìn)口管徑為 DN600,操作溫度為 176 ℃,壓力為0.38 MPa。受空間限制,甲苯塔蒸汽發(fā)生器與重芳烴塔蒸汽發(fā)生器均布置在同一構(gòu)架同一層高,蒸汽發(fā)生器采用如圖22布置方式。與重芳烴塔蒸汽發(fā)生器錯層設(shè)置“π”彎,同時增加彎頭,增加管道柔性,減小由于立管過長造成熱脹過大的影響。

圖22 甲苯塔及重芳烴塔頂重沸器聯(lián)合布置示意圖

4 總結(jié)

煉化行業(yè)中浮頭式、U 形管式、固定管板式以及釜式換熱器使用廣泛,其布置方式大體近似,細(xì)節(jié)各有不同。隨著石油化工裝置規(guī)模擴(kuò)大化,換熱器規(guī)格以及管線尺寸急劇增大,換熱器的布置以及管道設(shè)計過程中需要注意方面多,如何統(tǒng)一部署,做到合理整齊美觀至關(guān)重要。某歧化裝置中的立式及臥式高通量換熱器、蒸汽發(fā)生器的管道布置具有一定的代表性,分析布置中應(yīng)注意的問題,可以為以后相似設(shè)備的布置提供參考。