高效換熱器在常減壓裝置中的應用

鄭　俊,史新營

(中海油石化工程有限公司，山東 青島　266100)

換熱器是常減壓裝置的重要設備，它的選型和換熱效率直接影響到常減壓裝置的處理量和能耗。近年來，由于換熱器強化傳熱技術的成熟應用，越來越多的高效換熱器替代管殼式換熱器出現在常減壓裝置中[1]。

1　高效換熱器簡介

1.1　雙弓形折流板換熱器

雙弓形折流板在結構上增加了折流板切圓面積，如圖1所示。流體經過殼程被分成兩股平行流，從而增強了殼程的軸向流，降低了殼程壓降。但同時造成殼程湍流程度降低，傳熱性能反而不及單弓形折流板[2]。與單弓板相比，雙弓形折流板換熱器殼程壓降可降低50%～70%，但傳熱系數也降低20%～40%。

圖1　雙弓形折流板

1.2　折流桿換熱器

折流桿換熱器是美國菲利浦公司開發出的一種新型管殼式換熱器，結構上打破了傳統換熱器利用弓形折流板間距改變流體流速及阻力來增強傳熱效果的技術路線，其殼程用一系列桿式結構的折流圈，將流體流動由橫向流變為軸向流，降低流動阻力，消除了流動死區[3]。雖然折流桿換熱器較折流板換熱器能顯著降低殼程阻力降，解決了管束的振動問題，但傳熱效果低于折流板換熱器。

1.3　特型管換熱器

特型管是指在普通光管換熱管的基礎上，通過特殊冷加工工藝制成的各種形狀凹槽或波紋的換熱管[4]。主要包括波紋管、內插物管等。

1.3.1波紋管換熱器

波紋管是20世紀90年代開發出的產品，是一種內外壁軋成波紋凸肋的異形雙面強化傳熱管，主要有“橫紋波紋管”和“螺旋波紋管”兩種管型，如圖2。其以普通光管為基管，但波紋形的傳熱面，不僅有效地增加了傳熱面積，還使流道的截面形狀和大小發生變化，增強流體湍流程度，強化傳熱[5]。與普通光管換熱器相比，波紋管換熱器具有傳熱效率高、溫差應力小和抗垢性能好等優點。

圖2　波紋管

1.3.2內插物換熱器

內插物換熱器是指在換熱管內插入繞流元件，促進管內流體形成湍流，提高管內膜傳熱系數，進而提高管程的傳熱效率，故適用于管內流體為低雷諾數的層流換熱。目前，內插物的形式多樣，主要是各種金屬不同形狀的條、片和絲網等。目前具有代表性的內插物換熱器有交叉鋸齒帶內插物換熱器(如圖3)和英國Cal Gavin Ltd 公司開發Hitan繞絲花環換熱器(如圖4)。

圖3　交叉鋸齒帶內插物

圖4　Hitan繞絲花環內插物

1.5　板式換熱器

板式換熱器打破了傳統管殼式換熱器結構，采用具有一定波紋狀的金屬板緊密而成的緊湊結構。各板片之間流道小、截面變化復雜，致使流體的方向和流速不斷變化，因而流動擾動大，具有較高的傳熱系數[6]。

近年來，板式換熱器因其良好的傳熱效果、緊湊的設備結構等特點，在大型常減裝置和常減壓擴量改造中得到了廣泛的應用。更有文獻[7]認為通過在常減壓換熱網絡窄點處采用板式換熱器可有效降低最優傳熱溫差，進而降低裝置的總公用工程消耗量，以達到降低裝置能耗的目的。但由于板式換熱器的設備投資遠高于普通管殼式換熱器，故對其經濟性還需進一步驗證。

2　高效換熱器的應用效果分析

利用HEPC換熱器計算軟件，對某廠250萬t/a常減壓裝置中部分油-油換熱器，進行高效換熱器和普通管殼式換熱器的對比分析。

2.1　折流板與折流桿換熱器性能對比

表1　原油-常頂循采取不同型式換熱器對比

表2　閃底油-常二中采取不同型式換熱器對比

表1和表2計算結果表明，換熱器在管殼程流量相同、進出口操作溫度相同的前提下，單弓折流板、雙弓折流板和折流桿換熱器的總傳熱系數關系為K單弓折流板>K雙弓折流板>K折流桿，殼程壓力降△P單弓折流板>△P雙弓折流板>△P折流桿。雖然折流桿換熱器的殼程壓力降約是單弓折流板的1/30，是雙弓折流板的1/3，但其總傳熱系數下降了約1/3；雙弓折流板換熱器殼程壓力降約是單弓折流板的1/10，但總傳熱系數并未有顯著降低。因此，雙弓換熱器在保證原油換熱效果、降低殼程壓力降上有著明顯的優勢，適用于殼程流體處理量大、殼程壓力降要求低的工況。

2.2　特型管換熱器與光管換熱器性能對比

表3　低溫段原油-渣油(Ⅴ)特型管換熱器與光管換熱器對比

表4　高溫段原油-渣油(Ⅰ)特型管換熱器與光管換熱器對比

雖然常減壓裝置中大多數的油-油換熱器選用普通光管可達到換熱要求，但對于原油、減壓渣油和減壓蠟油等粘度較大、結垢熱阻較高的油品之間的換熱，采用光管換熱器雖然在裝置開工初期能滿足換熱要求，但運行一段時間后，由于油品結垢問題嚴重，造成換熱效果急劇下降。

表3和表4計算結果表明，在管殼程流量相同、進出口操作溫度相同的前提下，與光管換熱器相比，不同形式的特型管換熱器有著管程、殼程單面或管殼程雙面強化的作用。對比分析可知特型管可有效提高傳熱效率，總傳熱系數關系為K波紋管>K內插物管>K光管，殼程壓力降△P波紋管>△P內插物管>△P光管。對于低溫段粘度較大的油-油換熱，內插物管和波紋管總傳熱系數分別是光管的2.2和2.5倍，殼程壓力降分別是光管的1.1和1.4倍，管程壓力降分別是光管的3.3和1.5倍。對于高溫段粘度較大的油-油換熱，內插物管和波紋管總傳熱系數分別是光管的1.3和1.9倍，殼程壓力降分別是光管的1.5和1.7倍，管程壓力降分別是光管的3.5和1.7倍。故綜合傳熱效果和管殼程壓力降，對于管殼程粘度較大的油-油換熱器， 低溫段應優先選用內插物管換熱器，高溫段優先選用波紋管換熱器。

2.3　板式換熱器與管殼式換熱器對比分析

表5計算結果對比表明板式換熱器的總傳熱系數是管殼式換熱器的2.5～3.3倍，且管殼程溫度越高，板式換熱器較管殼式換熱器強化傳熱效果越明顯。在該工況下，兩種油品進出口溫度均大于240℃，該裝置按高硫高酸原油設計，故板式和管殼式換熱器管束選材均為316L。該材質下，板式換熱器單位換熱面積設備投資費用明顯高于管殼式換熱器。表中板式換熱器單位換熱面積設備價格約是管殼式換熱器的1.5倍，故選用板式換熱器代替管殼式換熱器，換熱面積較管殼式降低1/3以上，設備投資成本才有明顯優勢。本例中采用板式換熱器換熱面積是管殼式換熱器的3倍以上，故經濟效益顯著。

表5　板式換熱器與管殼式換熱器對比

板式換熱器材質最低為不銹鋼，故對于管殼程選材均為碳鋼的工況，就設備一次性投資角度而言，板式換熱器并不占優勢。故換熱器選型中應根據實際工況，合理利用板式換熱器，降低設備投資，提高裝置盈利能力，縮短投資回收期。

3　結語

高效換熱器選用應注意：(1)雙弓折流板換熱器在降低殼程壓力降上有著明顯的優勢。(2)對粘度較大的油-油換熱，低溫段應優先選用內插物管換熱器，高溫段優先選用波紋管換熱器。(3)板式換熱器替代管殼式換熱器時，應經設備投資對比，合理選用。