大型煤化工變換單元雙U型管換熱器設(shè)計(jì)

于 清 杜曉杰 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

在煤化工領(lǐng)域，需要在CO變換單元將一氧化碳?xì)怏w變換成氫氣，在常規(guī)變換工藝流程設(shè)計(jì)中，進(jìn)變換爐前需要設(shè)置粗煤氣預(yù)熱器，將進(jìn)變換爐的粗合成氣預(yù)熱，高出露點(diǎn)一定溫度后送至變換爐。同時(shí)，為回收變換反應(yīng)熱，設(shè)置蒸汽過熱器將變換單元副產(chǎn)的中壓飽和蒸汽過熱。

當(dāng)變換單元為中小規(guī)模時(shí)，粗煤氣預(yù)熱器和蒸汽過熱器多采用傳統(tǒng)BEU型式。受粗煤氣氣量、平均溫差、壓降等影響，此型式的換熱器外形一般呈短粗型且工藝氣側(cè)的壓降略大。隨著大型煤化工項(xiàng)目的建設(shè)需要，變換單元規(guī)模及處理氣量也越來越大。在換熱器計(jì)算過程中，當(dāng)粗煤氣處于完全湍流狀態(tài)時(shí)，流體經(jīng)過換熱設(shè)備的壓力和流體流速的平方成正比，也同時(shí)和換熱管長成正比。對(duì)于和本文相關(guān)的這兩臺(tái)換熱器，如變換單元的規(guī)模從60萬噸/年提高到120萬噸/年，粗煤氣換熱器和蒸汽過熱器工藝側(cè)的流速將提高2倍，粗煤氣側(cè)的壓降將提高4倍，實(shí)際計(jì)算時(shí)，粗煤氣側(cè)的壓降遠(yuǎn)超過控制值。為降低粗煤氣側(cè)壓降，一般通過增加換熱器直徑(即增加換熱管數(shù)量)來增加流體的流通截面積，或者通過減少換熱管長來實(shí)現(xiàn)，這樣換熱設(shè)備容易做成短胖型。而且，不可能無限減小換熱管長。另一種思路就是采用多臺(tái)換熱設(shè)備并聯(lián)方式，目的是減少單臺(tái)換熱器的處理氣量來降低單臺(tái)設(shè)備的壓降，但又提高了設(shè)備造價(jià)，增加了設(shè)備占地。

故本文將介紹一種適用于上述工況的新型雙U型換熱器的構(gòu)造和自身特點(diǎn)、同傳統(tǒng)U型管殼式換熱器的差異，以及已投用項(xiàng)目運(yùn)行情況。

1 換熱器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

本文以某煤制氣項(xiàng)目變換單元的粗煤氣預(yù)熱器為例，該換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 原料氣預(yù)熱器操作條件參數(shù)

2 換熱器型式比較

2.1 換熱器型式簡介

2.1.1 單U型管換熱器

本文介紹工況的傳統(tǒng)U型換熱器示意圖見圖1。

圖1 單U型管換熱器示意圖

2.1.2 并聯(lián)單U型管換熱器

本文介紹工況如采用傳統(tǒng)U型換熱器，管程和殼程氣體側(cè)壓降均很大，一定程度上會(huì)增加工廠能耗，同時(shí)，在大規(guī)模項(xiàng)目中會(huì)出現(xiàn)換熱器直徑過大、密封效果差等問題。為減少壓降，一般會(huì)采用多臺(tái)換熱器并聯(lián)設(shè)計(jì)，詳見圖2。

圖2 雙U型管換熱器并聯(lián)示意圖

2.1.3 新型雙U型管換熱器

新型雙U型管換熱器是在兩臺(tái)換熱器并聯(lián)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，將換熱器的管程放置在同一個(gè)殼程內(nèi)，即：單殼程和兩段管程構(gòu)成一臺(tái)換熱器。該型式的換熱器具有以下顯著特點(diǎn)：

(1)換熱器為雙U型管式換熱器。換熱器包含兩套管箱、管板和U型管束，且規(guī)格尺寸完全一樣。

(2)兩套管箱、管板和U型管束，呈180°布置于一個(gè)殼體中。

(3)殼程為同一種介質(zhì)；管程為另外同一種介質(zhì)。

(4)殼程和管程的流體在新型雙U型管換熱器入口前已通過管道設(shè)計(jì)均分為兩路。

新型雙U型管換熱器兩端管箱處分別設(shè)有1個(gè)入口和出口，管程流體從該扣流入，換熱后從出口流出。新型雙U型管換熱器殼程在靠近管板處分別設(shè)有1個(gè)入口，在殼程中部設(shè)有1處出口。殼程流體從殼體進(jìn)口流入，換熱后從出口流出。這種設(shè)計(jì)保證兩套U型管束冷流體和熱流體的換熱工況完全一樣，見圖3。

圖3 新型雙U型管換熱器示意圖

2.2 三種不同型式換熱器計(jì)算結(jié)果

將Aspen plus計(jì)算物性數(shù)據(jù)導(dǎo)入HTRI軟件，利用HTRI軟件對(duì)三種不同型式的換熱器進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同類型換熱器計(jì)算結(jié)果

2.3 三種不同型式換熱器比較

2.3.1 概述

表2中所示的三種不同型式換熱器相比：

單U型管換熱器殼程直徑小，重量低，但殼程和管程的壓降均很高，超出一般換熱器控制壓降指標(biāo)(<30kPa)。該換熱器殼程和管程均為工藝介質(zhì)，且后系統(tǒng)工藝技術(shù)需要再提高壓力，壓降大會(huì)造成后系統(tǒng)壓縮機(jī)功率提高；如果將管、殼程的壓降有效降低，需要增大殼程的直徑，即同步增加換熱管根數(shù)。在換熱面積一定的情況下，設(shè)備會(huì)呈現(xiàn)出直徑大、換熱管短的短粗型外觀。

并聯(lián)U型管換熱器雖然解決了壓降問題，但是和新型雙U型管換熱器相比，由于分成兩臺(tái)設(shè)備，相應(yīng)設(shè)備重量略高。同時(shí)，因是兩臺(tái)設(shè)備，考慮設(shè)備間距等因素，占地也會(huì)略大。本文介紹的換熱器為壓力容器，從設(shè)備維護(hù)、壓力容器檢驗(yàn)方面來看，一臺(tái)新型雙U型管換熱器比兩臺(tái)U型管換熱器具有壓力容器檢驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢。

2.3.2 節(jié)能

如表2中所示，新型雙U型管換熱器的壓降和并聯(lián)多臺(tái)U型管換熱器相同，均比單U型管換熱器減少110kPa。以某運(yùn)行項(xiàng)目為例，如果單U型管換熱器144kW壓降對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)的功率為689kW，并聯(lián)多臺(tái)U型管換熱器和新型雙U型管換熱器的壓降34kW壓降對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)的功率為163kW。將減少的110kPa壓降轉(zhuǎn)換為壓縮機(jī)電耗為526kW，按照電價(jià)0.5元/kW·h，每年因電費(fèi)可節(jié)約操作成本為210.4萬元/年(8000h/年操作時(shí)間)。詳見不同類型換熱器電耗壓降對(duì)比圖(圖4)。

圖4 不同類型換熱器電耗壓降對(duì)比圖

2.3.3 投資

投資對(duì)比見表3：

表3 不同類型換熱器投資對(duì)比

2.3.4 設(shè)備設(shè)計(jì)制造

新型雙U型管換熱器與傳統(tǒng)BEU型管換熱器相比，在制造加工方面沒有任何特殊要求，體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

(1)此新型換熱器與傳統(tǒng)換熱器相比，考慮到操作壓力，操作溫度等工況，管板均采用凸肩結(jié)構(gòu)，管板、管箱、筒體及殼程殼體均采用焊接結(jié)構(gòu)方式，即《熱交換器》GB/T151—2014中第7.4.1.1條的b結(jié)構(gòu)。管板與換熱管的連接形式采用強(qiáng)度焊+貼張的脹焊并用結(jié)構(gòu)。

(2)兩種換熱器管板的計(jì)算模型均采用《熱交換器》GB/T151—2014中第7.4.4.3條給出的計(jì)算方法，兩者的計(jì)算模型是完全一致的。

(3)兩種類型的換熱器的制造，檢驗(yàn)以及驗(yàn)收均是一致的，無特殊要求。

3 運(yùn)行情況

本文所述的雙U型管換熱器已在某煤制氣項(xiàng)目中投產(chǎn)使用，該換熱器已運(yùn)行一年有余，項(xiàng)目運(yùn)行負(fù)荷已達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷，該設(shè)備的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4：

表4 新雙U型管換熱器運(yùn)行數(shù)據(jù)

從運(yùn)行情況看，運(yùn)行工況和原設(shè)計(jì)工況基本吻合，該換熱器運(yùn)行情況良好，換熱器殼程、管程物料換熱能夠滿足項(xiàng)目運(yùn)行需要，殼程和管程的壓降均和原設(shè)計(jì)值相似。

4 結(jié)語

本文所限定的粗煤氣預(yù)熱器和蒸汽過熱器這兩臺(tái)設(shè)備，如采用本文所介紹的新型雙U型管換熱器，有以下優(yōu)勢：

(1)換熱器壓降?。涸谕瑯拥倪M(jìn)氣參數(shù)下，同相同直徑的單U型管換熱器相比，本新型雙U型管換熱器管、殼程的壓力降可大幅降低，降低～3/4。

(2)將兩臺(tái)短胖型的單BEU型換熱器改變成一臺(tái)長徑比合適、外觀相對(duì)美觀的換熱設(shè)備，避免單BEU型換熱器長徑比偏小的外形設(shè)計(jì)。

(3)同并聯(lián)多臺(tái)BEU型換熱設(shè)備相比，可顯著降低設(shè)備造價(jià)。