新型U形管板式與傳統盤管式天然氣加熱器對比分析

(江蘇特種設備安全監督檢驗研究院 無錫分院， 江蘇 無錫 214023)

天然氣加熱器( natural gas heater,NGH)是天然氣生產輸送的重要設備之一，其安全性能和使用性能的高低直接關系到整套設備的安、穩、長、滿、優正常運行[1-2]。生產過程當中，如有NGH發生泄漏等故障，熱水則進入循環系統中，將會產生燃燒不完全、腐蝕管路及器具等不良后果，輕則導致停車檢修，影響正常生產，重則因其易爆特性易引發生產安全問題[3-4]。因此，提高NGH的使用性能和安全性對天然氣行業來說有著重要的意義。

傳統盤管式NGH在使用初期狀況良好，但在設備的長期使用過程中，將會出現啟動時間長、加熱效率低、維修周期長以及泄漏等問題[5]。因此，近年來越來越多的公司和機構致力于改良傳統盤管式NGH以提高其安全性和使用性能。無錫特萊姆氣體設備有限公司致力于工業氣體和燃氣行業的各類(燃氣)設備的研發生產，長期為天然氣行業客戶提供傳統盤管式NGH。2011年，公司設計開發了一種新型U形管板式NGH，文中對此進行了詳細介紹，以供同行借鑒。

1 傳統盤管式NGH

1.1 發展歷史

傳統盤管式NGH從20世紀80年代出現迄今有30多年的歷史[6]，最初主要應用于大型天然氣液化工廠的空氣分離裝置、大化肥合成氨裝置及天然氣凝液回收裝置等，取得了良好的換熱效果。隨著天然氣行業近10 a來的蓬勃發展，盤管式熱交換器也被廣泛地應用在天然氣處理領域。

1.2 結構及主要參數

傳統盤管式NGH結構示意見圖1，其中的加熱器蛇形管部分見圖2。

1.檢查人孔1 2.NG進口 3.換熱管 4.殼程筒體 5.出水口 6.NG出口 7.檢查人孔2 8.殼程封頭 9.裙座 10.進水口圖1 盤管式NGH主要結構示圖

圖2 盤管式NGH蛇形管

傳統盤管式NGH為二類容器，設計壽命20 a，單臺質量30 t，換熱面積750 m2,其筒體規格(外徑×厚度×長度)?2 800 mm×12 mm×9 600 mm，殼程材質S30408，符合文獻[7]的要求。換熱管的規格(外徑×厚度)為?25 mm×2 mm，其材質為06Cr19Ni10，符合文獻[8]要求。傳統盤管式NGH主要技術參數見表1。

1.3 主要特點

1.3.1優點

殼體熱水容量大，如果碰到斷水或供水不足這類極端情況，其換熱時間相對較長，可保證設備不易結冰。

殼體頂部有供檢修人員進入殼體檢查和維修的人孔，此維修只能是現場的初步檢查和維修。

1.3.2缺點

(1)制造工藝繁雜且安裝、檢修成本高 ①傳統盤管式NGH內部結構復雜，因而在制定組裝工藝時，需要對特殊部分逐一進行試驗性驗證，確保驗證合格后方能制定組裝工藝，并用于生產制造。②傳統盤管式NGH不能像U形管加熱器那樣進行穿管裝配，需要先進行組屏，并且按照序號進行裝配[9]。③焊接在設備制造周期內占有最大的比例。傳統盤管式NGH換熱管為蛇形小繞管設計，每一個繞管上約有50個焊縫，且這些焊縫全部為手工焊接，這不僅增加了設備制造過程中的工藝難度，更耗時耗力，使得裝配周期超過40 d。④整體水壓試驗后在蛇形管的局部會形成水聚集。為了避免由此引起的腐蝕，采用了高壓熱空氣對蛇形管進行吹掃[10]。

(2)體積大、占用較大空間且安裝難度高 ①傳統盤管式NGH進、出口的管口為非水平設置且離地面很高，與總管相連接用管很多，而且出水管的管口位置也較高。因此，在安裝過程中需要借助吊車等設備，由此增加了人工費和材料費。②在安裝準備工作中，對基礎土建要求較高，無論是基礎縱深還是占地面積都比新型管板式NGH要大得多。

(3)檢修成本較高 ①傳統盤管式NGH附帶的安全閥需要每年校驗，而且由于加熱器高度太高，每次校驗均需調用吊車把人吊上去才能拆下進行檢修。②傳統盤管式NGH結構較為復雜，發生故障后現場維修可操作性低，必須整體拆卸后返廠維修。返廠后，查找漏點較為困難，外加后續維修時間，一般總的維修時間至少需要20 d。此外，返廠維修拆卸與運輸需要大型吊車和運輸車，費用也會由此增加不少。

(4)穩定運行周期短且安全隱患高 ①傳統盤管式NGH體積大，相應的內部空間也大。設備啟動時，熱水進入筒體會耗費更多的時間，一般需要30～40 min才能正常工作。②內部空間太大帶來的的另一問題是加熱、保溫成本更高，實際的換熱面積與龐大的體積相比來說并不大。③受蛇形管自身結構的限制，殼程介質流速不高。相對直管而言，盤管式結構管程介質流速低，管內摩阻能量損失高，壓降大且效率低。④傳統盤管式NGH在生產運行過程中易發生泄漏問題，造成泄漏的原因有熱應力、管束振動、焊接缺陷和管接頭受到沖刷等[11-12]。⑤在實際操作生產中，管殼程介質之間存在一定的溫差(約240 ℃)，各換熱管之間也存在著較大的溫差。此外，設備操作溫度周期性發生較大幅度的變化以及處于間歇操作工況下的反復加壓、升溫和卸壓、降溫過程中造成的熱脹冷縮會產生較大熱應力和焊縫應力，從而引發裂紋[13]。⑥換熱過程存在物相變化。盤管式結構內部空間流體流動過程中會形成局部湍流，流體介質會對管件焊縫部位產生沖擊和沖刷，容易造成焊縫損傷。⑦繞管上手工焊縫的焊接質量不易掌控，容易形成焊接殘余應力。大量的現場調查也發現換熱管裂紋都發生在焊縫及焊縫熱影響區[14]。

2 新型U形管板式NGH

2.1 主要結構及參數

新型U形管板式NGH改變了傳統加熱器換熱管的結構形式，選用了直管換熱管，使得結構更加簡單實用。新型U形管板式NGH技術參數與傳統盤管式NGH相同，其筒體規格(內徑×厚度×長度)為?1 800 mm×18 mm×800 mm，U形換熱管規格為(外徑×厚度×長度)?25 mm×2 mm×16 000 mm，材質為符合文獻[8]中相關要求的06Cr19Ni10。單臺新型U形管板式NGH換熱面積280 m2,質量9 t，設計壽命20 a，其主要結構示意圖見圖3。

分析表1、圖1與圖3可知：①在保證生產要求的前提下，新型U形管板式NGH外形更小，質量也更小。②新型U形管板式NGH相對的換熱面積增大，提高了換熱效率。③在滿足相應工藝前提下，新型U形管板式NGH直徑僅為0.816 m，高度為9.54 m，質量僅僅為9 t，具有一定的優勢。④采用了立式結構使得U形管能夠消除一定的熱應力，無需設置膨脹節。⑤管程入口介質為液態天然氣，管程出口介質為氣態天然氣，殼程介質為水，無相變。

2.2 主要特點

2.2.1工藝流程簡潔高效

工藝的簡化使得新型U形管板式NGH的生產周期大幅縮短。首先得益于U形換熱管不需進行組拼，管上無焊接接口，穿管裝配管束簡化了焊接過程，而且焊縫焊接摒棄了手工焊接，采用自動焊接，提高了焊接的效率，保證焊接的質量。U形管不存在積液問題，水壓試驗后無需進行吹掃，簡化了試驗過程。換熱管、管板及大法蘭均采用 S30408 無縫不銹鋼材質，避免了因材料多樣而帶來的加工復雜和焊接難的問題。外形小使得保溫層包覆時間變短。安全附件(安全閥等)可靠性高，無需每年校檢。

2.2.2換熱效率高且運行穩定

新型U形管板式NGH采用前端封頭管箱的結構形式，橢圓封頭受力良好，流體進、出口采用上、下布置，不會對管接頭造成直接沖刷，有利于液體介質排除。后端采用了U形管束的結構形式，即由1塊管板固定多根U 形管的管束結構，換熱管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮[15]。因此，當殼體與換熱管存在溫差時，不會有熱應力產生[16]。U形管與管板的焊接結構也有效解決了管束振動對焊縫的損傷問題。換熱管的無焊縫性能使得換熱管與管板的焊接、殼體焊縫的焊接也全部可以采用自動焊接，有效地保證了相關焊接的質量，解決了設備易泄漏的問題。新型U形管板式NGH不僅換熱效率較高，而且空間利用率也較高，設備單位質量的換熱面積是盤管式NGH的1.24倍，單位體積的換熱面積是傳統盤管式NGH的2.25倍。新型U形管板式NGH提高了殼程熱水流速，管程介質壓降極小，由此不僅保證了換熱效率，而且還降低了設備運行能耗和壓降大引起的設備故障率。

2.2.3制造、安裝與檢修成本低

新型U形管板式NGH外形小的特點使得保溫成本降低[17]。改進后的加熱器工藝程序簡潔，制造周期僅為25 d左右，比傳統加熱器減少了大約15 d，在一定程度上降低了成本。設備質量的減輕意味著承重的減小，由此使得基礎土建成本比傳統盤管式NGH減少50%左右。設備占地面積比常規設計小很多，節省了較多的空間和場地。天然氣進、出口的管口設計為水平設置且距離地面很近，與總管連接用管很少，而且出水管的管口位置也較低。這些管路的安裝無需吊車吊裝人員和設備，節省了一定的人工費和材料費。外接管道的安全閥不需要校驗。管板式加熱器可現場拆卸及維修，放水時間短至5 min，不需要拆卸燃氣管路，只需拆上部筒體即可進行維修?，F場維修費用降低許多，不僅極大縮短了因返廠維修浪費的大量時間，保證了設備盡快投產使用，還降低了設備吊裝、運輸所需的費用。

3 結語

新型U形管板式NGH不僅比傳統盤管式NGH節約40%的成本，而且具有加熱效率高、能耗低以及檢修快速方便等一優點，已大量投入制造和現場使用，并在生產應用中取得了良好的效果，得到了廣大外資公司和燃氣公司的一致好評。

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