新型纏繞式換熱設備

張 頌 李忠芳 陳 曦 馬 全 崔振寧

中國石油工程設計有限公司北京分公司 北京市

1.概述

通常在油氣田伴生氣處理系統工藝中，經常利用凈化天然氣與未處理天然氣進行一級冷卻，降低未處理天然氣的溫度。未處理天然氣在降溫過程中，會產生一定量的凝液，過多的凝液將導致換熱效率下降，嚴重時甚至在冷卻器內局部有段塞現象。另外天然氣換熱端面溫差一般要求比較低，常規的管殼式換熱器的端面溫差一般在20℃以上。為此，必須設計試制一種纏繞式換熱及分離一體化設備，同時具有冷卻和分離的功能，且直徑小、節約投資。

工程中常用的換熱器類型主要有管殼式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器等，雖然螺旋板及板翅式換熱器最小端面溫差可以達到2℃，但是此類換熱器不適用于壓力較高的場合，目前只適用于4.0MPa以下的場合。而管殼式換熱器受到端面溫差高的約束，使得在天然氣換熱場合受到熱量回收限制，尤其是低溫應用的場合，換熱器的效率幾乎可以決定工藝的成敗，所以小端面溫差、耐高壓的纏繞式換熱器對于工程應用意義重大。

針對未處理天然氣降溫過程凝液較多的特性，傳統的天然氣換熱工藝一般換熱效率隨著凝液的增加而降低，這將使得傳統的工藝和設備在市場競爭中處于劣勢。如果從整套設備出發對換熱器和分離器優化設計，可節省功耗和空間。

2.纏繞式換熱器

纏繞式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內將換熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀換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。纏繞式換熱器從傳熱原理上屬于間壁式換熱器，因此它具有管式換熱器的耐高壓性能，同時又具有結構緊湊、傳熱效率高的優點，特別適用于高壓高效氣體換熱場合。纏繞式換熱器有如下技術特點。

（1）結構緊湊，單位容積傳熱面積是普通管殼式換熱器2倍以上。對管徑為8～21mm的傳熱管，傳熱面積可達100～170m2/m3；而普通管殼式換熱器，傳熱面積只有54～77m2/m3，是纏繞式換熱器的45%左右。

（2）纏繞式換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，這種特殊結構極大地改變了流體流動狀態，形成強烈的湍流效果，湍流狀態更強烈，提高了換熱系數，減小了傳熱面積，以最少的材料達到最佳的換熱效果，同時考慮壓降和換熱系數的最佳組合關系，以最小的壓降達到最好的換熱效果即高效換熱。

（3）介質溫度端差小。由于其獨特的螺旋纏繞結構，介質在換熱管束中停留更長時間，換熱更加充分，故冷熱介質溫度端差小。

（4）由于是管殼式換熱器的一種，因此能承受高壓。

（5）由于管端存在一定長度的自由彎曲段，因而具有很好的撓性，傳熱管的熱膨脹可部分自行補償，減輕了對管板焊接的應力影響，減少了管頭與管板焊縫的泄漏可能性。同時，具有抗振動、耐高低溫差大的特點，使用壽命可相對延長。

（6）設備重量相對較輕、占地少、配管簡單、安裝檢維修便捷、設備投資相對較低，容易實現大型化。

（7）纏繞管結構可以滿足多種介質同時換熱的要求，對于一定數量的換熱管，通過選擇一定的纏繞層數，可以比較容易地分配管程和殼程流通面積。

新型纏繞式換熱及分離一體化設備結構特點：未處理天然氣走殼程，凈化天然氣體走管程。分離器安裝在殼程下部，管束結構為螺旋纏繞式，換熱方式為純逆流。換熱計算利用多年工程經驗通過HTFS軟件進行計算，所有受壓元件都要進行強度計算，符合《壓力容器》GB150-2011中元件計算的相關規定，利用SW6強度軟件進行校核。

螺旋形管束安裝在圓形殼體內，在殼體中原料氣通過螺旋形纏繞式換熱器間隙側與管程內的低溫天然氣介質進行換熱冷卻，未處理天然氣首先通過殼體下部進入殼程與凈化天然氣進行冷卻降溫，未處理天然氣被冷卻后，就會有冷凝液夾帶在氣體中，并且分離一部分的液相，通過下部連通管進入殼程下部的分離器，冷卻后的原料氣在殼程上部流出。

傳熱計算是采用公司與國內某大學聯合開發的成熟計算程序。該程序可以計算多種形式的換熱器，若將換熱管的參數和多種介質組分輸入計算程序，就可以進行纏繞式換熱器的熱力計算。通過計算可以確定換熱管的規格、數量、殼體的直徑、管程布置以及換熱面積等參數，從而為設計提供了依據。

根據HYSYS模擬分析未處理天然氣中攜液量，然后通過設計排液時間計算出分離器的體積，從而設計液包的直徑以及長度，并且通過分離器殼體上的液位計控制液位排放。

3.設計分析

纏繞式換熱器的換熱效果關系到后續工藝的處理效果。提高纏繞式換熱器的換熱效果將會降低整個裝置的減少功耗。因此如何解決天然氣冷卻時產生的凝液便是該工藝中關鍵的問題，換熱效率是考核換熱器設計的關鍵參數之一，而通過在該一體化設備下部設置分離液包，便可以將未處理天然氣中的凝液輕易的分離，從而顯著提高纏繞式換熱器的冷卻效果，降低換熱面積。

若采用常規設計脫水脫烴裝置，需要設計普通管殼式換熱器和立式旋流分離器兩臺設備，再通過法蘭和管路連接組合在一起。因此，從空間布置上，新型纏繞式換熱及分離一體化設備會節約很多空間，其安裝和檢修也要比常規的U形管式換熱器和立式分離器組合設備簡便易行。

經濟性是設備設計需要考慮的關鍵一項，從使用材料成本上和加工制造成本上比較，新型纏繞式換熱及分離一體化設備都要比分別設計的管殼式換熱器和立式分離器經濟。材料上由于新型管束傳熱效率高，相比同樣直徑的管殼式換熱器，管束的體積要比常規管殼式換熱器的小得多，故換熱管可降低成本。新型一體化設備的零件結構簡單，其材料成本低并且利用率高。新型纏繞式換熱及分離一體化設備的投資成本遠遠低于常規管殼式換熱器與立式分離器的組合設備。

4.結論

通過產品的實際應用表明，天然氣冷卻過程中含有一定量的凝液時，選用這種新型一體化設備具有結構緊湊，節省占地空間；傳熱效率高，壓力損失少，可靠性高；投資低于常規換熱設備等優勢。