高溫高壓下兩種大溫差換熱器結構的對比分析

陳 晨 張志遠

（1.山東三維石化工程股份有限公司； 2.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

隨著我國經濟的高速發展， 石化裝置在趨于大型化發展的同時，壓力、溫度也不斷提高。 在石化裝置中，換熱器占總設備數量的40%左右，占總投資的30%～45%［1］， 伴隨著節能技術的發展，通過熱交換器實現裝置能量的回收利用， 帶來了可觀的經濟效益，在此驅動下，這一占比越來越高。例如， 變換爐型式的發展從最初的絕熱型到內置π 形換熱管束，形成可移熱、控溫式的變換爐，這種爐型可將變換反應的副產熱量及時移走， 有效控制了變換爐的反應溫度， 不僅有利于提高反應深度，還能有效避免變換爐“超溫”現象。正因為對單臺變換爐反應深度的大幅度提升， 整個變換流程由早期的三段甚至四段爐全絕熱反應， 縮短為現在的兩段控溫反應或三段爐絕熱加控溫反應。由此可見在提高裝置核心設備壓力、溫度的同時，巧妙地設計換熱管的布置結構不僅能夠縮短工藝流程，減少占地面積，降低總投資，而且能保證整個裝置安全、長周期、高效的運行。

筆者通過對兩個氨合成項目中不同結構廢鍋換熱管的布置結構進行對比分析，為其他類似工況下換熱器的優化提供借鑒。

1 噴泉式結構廢鍋

噴泉式結構廢鍋主要設計參數見表1 （設備管程進口管和熱箱設計溫度為440℃， 換熱管和管板設計溫度為400℃， 管箱和出口設計溫度為330℃），其結構示意圖如圖1 所示。

表1 噴泉式結構廢鍋主要設計參數

從設計參數中可以看出，管程進出口溫差高達142℃， 如果采用傳統的兩管程U 形管上下的布管方式，會使管板上半部與下半部存在較大的溫差，管板上下兩部分沿徑向膨脹不均勻，變形不協調會引起較大的溫差熱應力，該熱應力與壓力產生的應力相互疊加，導致無法采用常規設計對管板進行計算，管板的數值模擬分析也將會變得異常復雜。 另一方面，由于管板變形不協調，有可能使管板與管、 殼程筒體的焊縫出現裂紋，并且管板分程隔板處的換熱管焊接接頭極易發生泄漏，導致換熱器不能安全、長周期穩定運轉。 如果無法滿足長周期要求運行的， 對于這種進出口大溫差換熱器， 可能需要二級甚至三級換熱器進行換熱。

圖1 噴泉式結構廢鍋示意圖

從噴泉式結構廢鍋示意圖中可以看出，該管板為周邊固支且受側向壓力作用的圓平板，其最大應力在邊緣處，應力方向為徑向［2］。根據應力分布特點，如布管示意圖所示，將高溫氣進口布置在管板中間區域，將經過換熱降溫后的氣體出口布置于管板周邊，這樣不僅可以對管板進行常規計算，而且基本保證了整個管板沿各個方向熱膨脹的一致性，使得管板受力處于良好狀態，大幅降低了管頭泄漏的可能性。 但對于邊緣簡支型的管板， 如GB/T 151—2014 中第7.4.1 條圖a 所示的夾持管板［3］，其最大應力在管板中心，根據應力特點宜將高溫區設置于管板邊緣，低溫區設置于管板中心。

2 刺刀式結構廢鍋

刺刀式結構廢鍋主要設計參數見表2 （管程進口管、熱箱和內管設計溫度為420℃，管箱、出口管、換熱管和管板設計溫度為300℃），其結構示意圖如圖2 所示。

表2 刺刀式結構廢鍋主要設計參數

圖2 刺刀式結構廢鍋示意圖

如換熱管結構簡圖所示，刺刀式結構的換熱管是由兩根不同外徑的管子組成的，外管一端用堵頭封死，內管兩端均為開口，熱氣由內管進入，在外管堵頭端折返后通過兩管環隙與殼程介質進行換熱。 內管外壁需包覆或者噴涂一層特殊的隔熱材料，可有效阻止介質在回流過程中進行二次取熱，內管出口端與外管堵頭端部還需要留有一定的熱膨脹空間。 由于管間隙內為低溫介質，使得管板的設計溫度大幅降低，同時整個管板溫度分布幾乎一致，外管一端又為自由端，不存在熱應力的影響，因此外管與管板的焊接接頭泄漏的可能性較小，安全性高。

3 兩種結構的對比分析

噴泉式結構廢鍋與刺刀式結構廢鍋的管程側均采用冷壁式結構，即高溫氣從管箱內部的熱箱進入換熱管內，讓換熱后的低溫介質與管箱筒體接觸。 由于合成塔出口的合成氣中氫含量的摩爾比往往占到近60%，氫分壓較高，從納爾遜曲線［4］可以看出，氫分壓一定的情況下，溫度的變化對材料的選取影響極大。 在高溫高壓的臨氫環境中，采用冷壁式結構可以大幅度降低設備造價。

噴泉式結構采用發散的U 形管布置，設計過程中往往需要借助三維軟件進行布管，需要對U形管進行分區并按順序編號，工作量大，并且制造時組裝難度也大，對制造廠的要求比較高。 相比于刺刀式結構，噴泉式結構管板的金屬溫度明顯較大，管板與換熱管焊接接頭的可靠性略低。

刺刀式結構布管比噴泉式結構布管更加緊湊，在相同換熱面積下，刺刀式結構換熱器直徑會小于噴泉式結構，具有經濟性優勢。 刺刀式結構除了結構簡單，制造過程組裝難度不大，設備運行安全穩定性高外， 還具有傳熱效率高的優點。 常規管殼式換熱器的換熱管為單管結構，管內介質呈柱狀流動狀態，換熱器的傳熱系數取決于管內介質流速，流速的大小又決定了管內介質邊界層的厚度，因此管內邊界層的厚度直接決定了其傳熱效率。 刺刀式結構換熱管的管間介質呈環狀膜態流動，具有穩定的邊界層厚度，相比于單管結構，盡管擁有較好的換熱性能，但是介質在內管出口端發生急劇180°流向改變，動能損失大，具有阻力降高的缺點；此外由于刺刀式結構換熱管的內管一側為自由端，若存在內管出口端流速過高或者環隙間流速過高的情況，容易引發內管振動，內管振動后會使之外側的絕熱層松散或脫落，冷卻后的介質會被再次加熱，降低傳熱效率，嚴重情況下甚至會發生環隙堵塞。 介質流速的確定是刺刀式結構的關鍵， 確定合理的內、外管徑不僅能避免振動，還能降低阻力降。

4 結束語

通過對比分析噴泉式結構廢鍋與刺刀式結構廢鍋的優缺點，希望能夠在一些裝置改造或者工藝流程優化中， 結合上下游設備的工藝情況，對此類高溫高壓工況下、管程進出口大溫差的換熱器提供一些設計思路和優化方法。