高效缠绕管式换热器的节能分析与工业应用.pdf

经 验 交 流 高效缠绕管式换热器的节能分析与工业应用张贤安(镇海炼化检修安装公司,浙江 宁波 315207)摘 要:介绍了缠绕管式换热器的节能原理,利用工业应用实例对缠绕管式换热器的节能进行了分析,并根据工业实际情况,提出了采用缠绕管式换热器,可使工艺流程简洁、操作条件优化、大幅度降低能耗的观点。关键词:缠绕管式换热器;节能;工业应用中图分类号:TQ051.5 文献标识码:B 文章编号:1001-4837(2008)05-0054-04Energy-saving&IndustrialExample of theH igh-effectedW ound-tube Heat ExchangerZHANG X ian-an(ZhenhaiRefining&Chem icalMaintenance and Installation Co.,Ningbo 315207,China)Abstract:The principles of energy-saving aswell as the application ofwound-tube heat exchanger arediscussed.The industrial examples ofwound-tube heat exchanger are introduced,and the energy-savingtechnology are analyzed.A scheme of the wound-tube heat exchanger using in the system is presentedaccording to the industrial application.The technics unit and operational conditions of plants are opt-im ized,the results showed the wound-tube heat exchanger could decrease energy-consumption hugely.Key words:wound-tube heat exchanger;energy-saving;industrial exa mple1 前言 在所有的换热单元中,管壳式换热器以设计、制造的优势广泛应用于工业生产中,据估计,管壳式换热器在我国换热器总产量中约占 80%。迄今为止,已经开发了多种类型的高效管壳式换热器,如螺旋折流板换热器、螺纹管换热器、波纹管换热器、螺旋波纹管换热器等。缠绕管式换热器作为一种特殊结构的管壳式换热器,具有同时进行多种介质的传热、结构紧凑、单位容积具有较大的传热面积、无热膨胀问题且在小温差大负荷工况下具有良好的传热性能的特点 1。笔者结合十多年的设计制造经验,通过工业应用实例,阐述了目前在炼厂加氢、气分、天然气气化、低温甲醇洗装置等广泛应用的缠绕管式换热器的高效节能技术。2 缠绕管式换热器的高效性能 在设计和选择换热器时,首先必须确定对换热器起决定作用的冷热流体温度差。一般来讲,对同等的换热量,温度差越大,相应所需的换热器面积越小。从这一点上看,似乎是换热器的温度差越大越好。但是从热力学的观点来看,热转变过程本身是不可逆的。热源和受热体的温度差越大,热量的有用能的损失也越大。缠绕管式换热器有效地实现了#54#在强化传热的同时,使冷热流体充分换热,尽量减小了有用能的损失。缠绕管式换热器层与层之间换热管反向缠绕,这种特殊结构极大地改变了流体流动状态,形成强烈的湍流效果;由于管内螺旋流动的强化作用,使得管程的传热膜系数也得到增加;同时垫条等部件对壳程的流动不断扰动,三个方面的共同作用,使得缠绕管式换热器的传热性能得以显著提高。对于一般结构的气-气换热设备,其传热系数值约为 75365W/(m2#K),但对于缠绕管式换热器,某些特定条件下,总传热系数可以达到 500W/(m2#K)以上。另外,通过层数和间距的合理调整,冷热流体对管壳程的选择不明显。以原料气换热器为例,管程走冷流体和管程走热流体的总传热系数相差仅为2%。3 与普通管壳式换热器的比较 缠绕管式换热器结构紧凑主要体现在单位容积具有较大的传热面积。对管径为 8 21 mm 的传热管的传热面积可达 100 170m2/m3;而普通管壳式换热器的传热面积只有 54 77 m2/m3,是缠绕管式换热器的 45%左右。普通的管壳式换热器折流板起着改变流体流动方向和支撑管的作用。传统弓形折流板换热器中,壳侧流体成弯曲的 Z字形流动,但这种折流板的布置形式存在一些问题:(1)沿程压力降大,易产生流动滞止死区;(2)旁流和漏流降低了有效横掠管束的质量流速;(3)高的流体流速诱导换热管的振动,缩短了换热器的寿命。因此,许多研究致力于改变传统的折流板结构的形式。据调查,90%以上的普通管壳式换热器都存在不同程度的结垢问题,造成传热性能变差,传热效率下降,其下降幅度平均可达 30%以上。除直接造成能量损失外,还会导致生产装置运行负荷降低,影响成套装置的生产能力。另外,设备结垢还会引起流体流动阻力增加,从而带来装置动力消耗的增加。周期性的停车清洗,也增加了装置的运行成本。对于缠绕管式换热器,管内流体以螺旋方式通过,降低了壁面附着的可能性以及结垢倾向。壳程流体逆流横向交叉通过绕管,在相邻管之间、层与层之间不断地分离和汇合,使壳体流体的湍流度加强,相同流速下也减少了沉积的几率。对于适宜的流体(一般指不含颗粒及纤维流体),缠绕管式换热器管壳程都表现出良好的抗垢性,保证了设备的长周期、高负荷运行。4 缠绕管式换热器的节能分析与工业应用实例 缠绕管式换热器的节能性能表现在以下几方面:(1)设备占地少;(2)重量轻、金属耗材少;(3)冷热端差小、(冷)热能得到充分利用、系统得到优化;(4)设备具备长周期运行的条件。镇海炼化检修安装公司和合肥通用机械研究院联合开发的缠绕管式换热器,十年来不断地在各领域的工业中得到应用,已在实际工程中验证了其高效节能的特性。4.1 甲烷化装置的应用镇海炼化和乌鲁木齐石化公司化肥厂甲烷化制氢工程中,以气-气换热器为例,来自甲醇洗工号(4115)压力为 7.33MPa、温度为 20 e、CO+CO2含量约为 0.8%的原料气在气-气换热器中与反应后温度为 340 e 的工艺气进行换热、充分利用其热量,使之升到催化剂的活性温度 280 350 e 范围内,进入 R 1甲烷化炉脱硫层,脱去微量的 H2S后入甲烷化炉催化剂层进行甲烷化反应,使 CO+CO2含量降至 40 mg/m3以下。气-气换热器设计条件如表 1所示。表 1 气-气换热器设计条件项目热侧冷侧介质反应后工艺气原料气设计温度(e)455430操作温度(e)34020/295设计压力(MPa)8.38.3操作压力(MPa)7.257.33允许压力降(M Pa)0.040.04状态参数(N#m3/h)7126972895 甲烷化制氢工程装置原设计采用两组共四台串联的固定管板/管箱焊接式 U型管式换热器。装置建设基于原系统改造,因设备维修空间不够、维修难#55#第 25卷第 5期 压 力 容 器 总第 186期度大等原因,采用了 2台缠绕管式换热器,二者设计方案对比如表 2所示。表 2 两种设计方案对比项目焊接式 U型管式换热器方案缠绕管式换热器方案管束直径(mm)DN800(2台)-DN 600(2台)DN 800(1台)-DN 550(1台)管束长度(mm)6200(4台)8500(1台)-7200(1台)设备总重量(kg)35100 16930占地面积(含维修空间)(m2)42.3(不考虑管束抽芯的所需空间)2.3结构简图 镇海炼化甲烷化制氢装置气-气换热器于2002年初一次性开车成功,至今已连续运行 6年多,设备阻力降稳定、换热效果显著,热端温差近 7e。设备运行实测温度参数如表 3所示。表 3 4120-E1气-气换热器实测温度数值(e)时间管程温度壳程温度温差1#管程入口1#管程出口1#壳程入口1#壳程出口冷端热端2007-03-24 12B 00319.6485.2736.86312.4235.587.222007-03-31 13B 00320.0289.1839.52313.0833.896.952007-04-28 17B 00319.0984.8638.58312.4128.286.672007-05-05 18B 00316.0682.8238.48310.1918.625.882007-06-09 23B 00320.9787.7937.85314.2536.176.722007-06-17 00B 00320.7388.9638.68314.2137.026.532007-07-08 03B 00319.5890.6641.08312.4440.057.142007-07-15 04B 00323.1288.2036.24316.2044.846.922007-07-17 16B 00317.7583.6538.89311.7811.605.972007-07-18 10B 00315.5681.1937.08310.1414.745.432007-08-01 10B 00318.1084.7335.97311.3239.566.782007-08-06 10B 00319.5385.2436.28312.9333.826.60 从表 2,3可以看出:(1)相同负荷条件下,缠绕管式换热器的设备重量明显比普通列管式换热器小,本案例重量减轻达 52%,单位负荷金属消耗节能显著,尤其对于设计压力高、设计温度高的换热器,缠绕管式换热器能更好地体现其高效紧凑、节省材料的优点。(2)设备占地面积小,本案例中缠绕管式换热器的占地面积仅是其它方案的 5%。小的占地面积对于装置改扩建将是决定性的特点,同时对新建装置,在当前土地资料紧缺的情况下,也将发挥巨大的作用。此特点也在采用成套缠绕管式换热器的低温甲醇洗工艺中表现尤其明显 2。某公司在其大氮肥国产化改造中采用了缠绕管式换热器后,装置占地面积节约 1200 m2。(3)管内流体的螺旋流动和壳程流体在相邻管之间、层与层之间不断地分离和汇合,流体流动流畅。由于设计时采用了较高的气体流速,气体携带的少量粉尘不易沉积,设备长周期运行至今,冷(热)端温差恒定,管壳程流体压力降与投用初期相当。(4)热端端差小。由于反应后工艺气的温度一般只有三百多度,偏离设计条件,普通管壳式换热器,运行时热端端差一般大于 40 e,造成原料气在#56#CPVT 高效缠绕管式换热器的节能分析与工业应用 Vol251No5 2008换热器中与偏冷的工艺气进行换热后难以使之升到催化剂的活性温度 280 350 e 范围内,系统无法有效进行甲烷化反应、实现工艺过程。但是,缠绕管式换热器的优越性能使其在苛刻的工艺条件下仍能保证冷介质的出口温度。4.2 加氢裂化装置的应用镇海炼化 150万吨/年加氢裂化装置建设中,通过对螺纹锁紧环换热器方案与缠绕管换热器方案的反复对比,从系统操作、设备投资、制造周期等多方面最终选择了缠绕管换热器作为高压系统的换热器。其中反应流出物/混合进料换热器的设计参数如表 4所示。表 4 E1001反应流出物/混合进料换热器设计参数项目壳程管程介质混合进料反应流出物操作压力(MPa)1614.3操作温度(e)154(进)/356(出)411(进)/255(出)总质量流量(kg/h)204355226515总液体流量(%)88.09(进)/86.32(出)12.78(进)/46.84(出)设计压力(MPa)16.815.02设计温度(e)371440 高压加氢缠绕管式换热器投用一年多来,综合性能获得了一致好评:(1)高温高压的加氢裂化系统中采用缠绕管式换热器后,工艺流程简洁,如图 1所示。图 1 工艺流程示意(2)换热充分,热端小端差的特性得以充分表现,具体数据如表 5所示。(3)节约燃料,系统进一步优化后,投资有望进一步降低。反应前原料与反应后产物充分换热后,表 5 实测数值参数名称2007-11-1314B 002007-11-1414B 002007-11-1514B 002007-11-1614B 002007-11-1618B 00E1001管程入口温度(e)383.0384.0383.0383.4384.1E1001管程出口温度(e)220.5219.7221.7221.5222.7E1001壳程入口温度(e)126.4127.0128.9129.1129.2E1001壳程出口温度(e)368.1368.6368.1368.6369.5已接近反应器内物料反应所需温度,当前加热炉F1001负荷仅为设计值的 20%以下,仅燃料节余一项效益接近 1600万元/年,而且后续类同系统设计将大大优化。一旦加热炉 F1001取消或改为开工炉,基建投资、装置占地面积和实际装置操作费用,都将大大降低。4.3 天然气汽化装置的应用某电站采用液化天然气汽化后作为燃机用料,天然气的设计条件如表 6所示。表 6 天然气的设计条件项目参数气化介质LNG单台气化量(N#m3/h)25000(20 e,1.01325 bar)介质进口温度(e)-162出气温度(e)7进口 LNG压力(M Pa)3.5 4.0(G)通过与开架式汽化器、浸没燃烧型汽化器、带有中间传热介质的汽化器对比分析,采用了水浴式缠绕管结构汽化器。系统如图 2所示。通过实际使用,不仅表现了上述几方面的节能特点,而且本案例图 2 水浴式缠绕管结构汽化器系统(下转第 20页)#57#第 25卷第 5期 压 力 容 器 总第 186期面接触考虑时,拉杆端部加载的力则为此最大力再除以加强杆的横截面积,即 F/PR2=92.77 Pa。对拉杆与筒体连接模型进行求解,图 11所示为位移图,图 12所示为应力图。图 11 拉杆分析实体位移图 12 拉杆分析实体应力由分析结果可知,拉杆与筒体连接处,位移最大值为 0.56 mm,位移最大处位于拉杆的上端区域。位移值较之以点接触的模型大大减少。应力最大处位于拉杆与筒壁接触处的部分,一次+二次应力值为 253.69MPa。应力值较之以点接触的模型大大减少。该处的应力小于 3倍的设计应力强度,满足强度要求。4 结语 文中介绍了储罐的两种隔板形式,通过有限元分析,指出其强度薄弱部位,提出了增设拉杆的加强措施。以 S型隔板储罐为例,对增设拉杆前后储罐应力的有限元分析结果进行比较,证明了拉杆对储罐结构的加强作用。拉杆一般设在位移最大处。在本例中,增加 1排 3根拉杆后,位移和应力有显著降低,增加到 7排 21根拉杆后,位移和应力无显著变化,最大应力位于拉杆与筒体连接处。进一步对拉杆与筒体连接进行有限元分析,拉杆与筒体连接由点接触改为面接触。分析结果表明,连接处的最大应力显著降低,满足强度要求。同时,工程实践也证明了在储罐中用拉杆进行加强的有效性。收稿日期:2008-01-09 修稿日期:2008-04-15作者简介:洪瑛(1968-),女,工程师,通讯地址:上海市梅陇路 130号 402信箱。(上接第 57页)解决了与低温流体换热条件下水的结冰问题,为系统循环水的降温找到了进一步探讨的方案。在本案例中,加热液态天然气的热源采用电厂联合循环汽轮机的冷却循环水,经过与液化天然气换热,液态天然气汽化吸收了大量的冷却水热能,循环水温度适当降低,从而增加汽轮机的出力,达到增加发电能力的目的。5 结论 (1)缠绕管式换热器是一种高效换热器,具有占地小、单位负荷金属消耗少的特点,在新建装置、尤其老装置改扩建中不仅可以有效降低投资,而且紧凑的缠绕管式换热器更有利于装置平面布置;(2)缠绕管式换热器具有换热充分、冷热端差小的特点,不仅可以节约能源而且可以优化系统和流程,对整个装置具有良好的综合节能效果;(3)在适宜的介质里,缠绕管式换热器可以长周期地安全运行。参考文献:1 张贤安,陈永东,王健良.缠绕管式换热器的工程应用 J.大氮肥,2004,27(1):9-11。2 汪家铭.低温甲醇洗净化工艺技术进展及应用概况 J.江苏化工,2007,35(4):13-17.收稿日期:2008-03-07 修稿日期:2008-04-23作者简介:张贤安,高级工程师,副经理。#20#CPVT 拉杆结构在储罐中的应用 Vol251No5 2008