常見換熱器管道布置淺析

張永祥

(中石化洛陽工程有限公司,河南 洛陽 471000)

隨著國家可持續發展戰略的實施,國家對能耗低控制指標不斷細化。作為重要過程設備的換熱器在石油、化工、核電、冶金等行業的熱量回收和綜合利用中發揮著重要的作用。

工業生產中,換熱設備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體,使流體的溫度達到工藝過程規定的指標。在化工廠中,換熱設備的投資占總投資的 10%～20%;煉油廠中,約占總投資的 35%～40%。近年來,換熱設備在能量儲存、轉化、回收,以及新能源的利用和污染治理中得到了廣泛的應用。

1 管殼式換熱器分類

管殼式換熱器具有可靠性高、適應性廣泛等特點,在各個工業領域中得到了廣泛的應用,近年來隨著工業進程的加劇,管殼式換熱器技術更加成熟。根據其結構特點,煉化行業管殼式換熱器可以分為固定管板式、浮頭式、U 形管式以及釜式重沸器等[1]。

1.1 U 形管式換熱器

U 形管式換熱器(見圖1)特點:只有一塊管板,管束由多根 U 形管組成,U 形管兩端固定在同一塊管板上,管子可以自由伸縮,殼體與換熱管有溫差時,不產生熱應力。能夠抽出管束,方便清掃傳熱管外壁,承壓部件少,可以減輕重量,管板及殼體法蘭少,結構簡單,便于制造,適用于管內走清潔、不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性強的物料。

圖1 U 形管換熱器示意圖

缺點:管束內層管間距較大,管板利用率低,內層傳熱管不便維修,當傳熱管泄漏損壞時,只有管束外圍處傳熱管便于更換,內層傳熱管一旦損壞,只能堵死,報廢率較高。

1.2 釜式換熱器

釜式換熱器(見圖2)特點:管束可以是浮頭式、U 形管式和固定管板式,不同于其他形式換熱器,殼體上部設置一個蒸發空間,蒸發空間大小由產汽量和所要求蒸汽品質決定。產汽量大、蒸汽品質高,蒸發空間所需相對較大。作為余熱鍋爐其結構簡單,清理維修方便,可用于不清潔、易結垢介質,并能承受高溫高壓的工況,為取得廉價蒸汽而被廣泛應用。

圖2 釜式換熱器示意圖

1.3 浮頭式換熱器

浮頭式換熱器(見圖3)結構特點:兩端管板中只有一端與殼體固定,另一端可相對殼體自由移動,管束可以從殼體中抽出,管束與殼體之間的相對熱變形互不約束,因而不會產生熱應力。

圖3 浮頭式換熱器示意圖

浮頭式換熱器的優點是傳熱管間及其內部便于清洗,但其結構復雜,造價比固定管板式換熱器高,設備笨重,材料消耗大,制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束間壁溫差較大或殼體易結構的場合。

1.4 固定管板式換熱器

固定管板式換熱器(見圖4)結構特點:管束連接在管板上,管板與殼體焊接。

圖4 固定管板式換熱器示意圖

優點:結構簡單,緊湊,承壓能量強,造價低,管程清洗方便,傳熱管損壞時易于更換或者堵管

缺點:當管束與殼體壁溫或者材料線膨脹系數相差較大時,殼體和管束間將產生較大熱應力。

適用于殼體側介質清潔且不易結垢并能進行清洗,管程及殼程兩側溫差不大或溫差大但殼程側壓力不高的場合,應用場合較少。

2 換熱器布置

2.1 換熱器基礎

換熱器基礎高度應當在滿足工藝要求的基礎上,盡量低。工藝有要求時,可以將換熱器布置在工藝規定高度的地面基礎或者構架上。在地面及構架上布置的換熱器的基礎高度,由管程或者殼程下側排放管尺寸決定。

對于換熱設備管道布置中出現的低點,工藝多要求密閉排放至總管,統一處理,如圖5所示。依據減少死區的原則,第一道閥門應安裝在立管上。尤其是地面上,主管以法蘭+法蘭蓋形式伸出地面,密閉排放管線連接至主管側面,如圖6所示,因此在設置密閉排放時需注意管子與地面凈空,保證管子及保溫不與地面發生碰撞,同時要考慮排放管與主管連接時焊縫間距應滿足規范要求。尤其對于排放口徑為DN50法蘭閥,不僅要考慮焊縫間距,同時還應注意螺栓的抽出,盡量避免DN50法蘭與主管三通或凸臺最小連接,圖7 為換熱器基礎高度計算示意圖。

圖5 低點排凝示意圖

圖6 密排連接示意圖

圖7 換熱器基礎高度計算示意圖

以設備下部嘴子接出管底距地坪或平臺凈空不小于 150 mm 為原則,當管底有放凈閥時,放凈閥至地坪或平臺至少應有 150 mm 凈空。

換熱器的基礎高度取決于排放管尺寸及凈空,管程及殼程下側管嘴距基礎距離,法蘭及彎頭尺寸,即:

Int(H) =W+Y+X

式中:W,法蘭+彎頭 ;Y,排放管尺寸及凈空 ;X,管子半徑 。

根據上述計算結果取整,同時如果多臺換熱器并排,可根據實際情況在一定范圍內相鄰換熱器基礎高度取齊。多臺換熱器并排如若支座間距不同,宜取一端對齊,如圖8所示。這樣便于施工,且美觀。

圖8 進料泵出平臺構架3D模型圖

圖8 多臺換熱器布置示意圖

換熱器固定端宜朝向便于檢修側或者道路,便于機械設備吊裝就位,有利于換熱器管束的抽芯維護。同時應根據現場情況,在靠近封頭端設置檢修區域,避免檢修時換熱器頭蓋放置在平臺或構架上時因荷載過大導致結構梁變形。操作溫度高于自燃點的換熱器上方不宜布置操作溫度低于自燃點的設備,若要在其上方布置,則應用不燃燒材料的封閉式樓板隔離,且封閉式樓板應為無泄漏樓板。對于布置于無泄漏平臺上的換熱器,每 100 m2至少設置一個含油污水地漏,地漏上表面與平臺上表面平齊,便于地面含有污水或初期雨水的排放。換熱器的布置還應考慮介質的操作溫度是否高于自燃點,高于自然點的換熱器與低于自燃點的甲B類及乙A類可燃液體或甲類可燃氣體設備間距不應小于 4.5 m,與低于自燃點的液化烴設備間距不應小于 7.5 m[2]。

隨著裝置大型化,管道的管徑也不斷增大,同時寒冷地區管道保溫隨之增厚。在確認換熱器廠家資料時,需要注意殼程下側管嘴與基礎間距,避免管嘴或保溫與基礎碰撞以及管嘴法蘭螺栓無法拆卸的情況發生。會簽圖紙時應提醒設備專業注意該問題,穩妥起見最好在委托中標出法蘭外延與鞍座之間的距離,便于結構專業在設計時進行核對如圖9所示,圖10為現場管嘴與換熱器基礎碰撞。

圖9 管嘴與基礎示意

圖10 現場碰撞實例

2.2 操作及檢修空間

換熱器的管線布置同時應滿足以下幾點:

(1)保證管束抽出空間。在地面上時,浮頭式管箱前端應預留比管束長度長 1.5 m 空地。在構架上時,前端平臺凈距不宜小于 1 m。

(2)為方便檢修,換熱器進出口管道及閥門均應與設備頭蓋法蘭保持一定距離,并以方便拆卸螺栓為原則,一般凈距為 300 mm 為宜,如圖11所示。

圖11 管道與換熱器相對位置示意

(3)設備之間凈距應不小于 700 mm,如果有管道或閥門,應預留有不小于 800 mm 的操作通道[3],如圖12所示。

圖12 換熱器間管道間距示意

(4)換熱器的固定點一般設置在管箱端,此時連接浮頭端管嘴的管道必須考慮因換熱器的熱脹產生的位移影響,以防止管嘴受力過大而造成泄漏。

(5)操作溫度等于或高于自然點或 250 ℃的換熱器上方和下方,如無不燃材料的隔板隔離保護,不應布置其他可燃介質設備[4]。

(6)為了避免設備吊裝以及檢修不便,管線盡量避免布置在設備軸線正上方[5]。

3 實例分析

3.1 立式重沸器布置

塔釜液位影響蒸發和回液平衡,還可控制進料停留時間,立式重沸器換熱效果與塔釜液位有關,液位較低時換熱效果較差,因此塔底重沸器的布置方式需經專利商確認。設備的布置應首先滿足工藝要求,再考慮管線熱脹等因素。

以某歧化裝置苯塔重沸器(見圖13)為例,專利商要求重沸器管程出口與苯塔距離盡量小,采用如圖14布置方式,現場管道及設備布置如圖15所示。該方式重沸器出口與苯塔直接連接,可以減少壓降和有效利用空間,但該方式下,塔受溫度影響而向上膨脹,帶動重沸器移動,因此重沸器的支撐不能采用固定支撐,需采用彈簧。根據應力計算結果表明,重沸器不同支撐部位受力不同,采用的彈簧不同。重沸器尺寸及操作重量均較大,由于單一彈簧穩定性不足,管道內介質擾動易造成重沸器晃動,彈簧的形式應選擇組合式彈簧箱,如圖16所示。設備支耳底地面與下層平臺凈距 502 mm,選擇彈簧箱即可以起到穩定作用,同時彈簧箱可以自定義高度及底板大小,便于設置平臺和支撐。

圖13 立換示意圖

圖14 苯塔重沸器布置示意圖

圖15 現場立式重沸器實例

圖16 立式重沸器彈簧箱

檢修時,立式重沸器管束向上抽出,因此重沸器管箱正上方應避免有管道及其他設施,影響管束抽出。隨著裝置大型化的要求,管道也逐漸大型化,上述重沸器管程及殼程進口管徑達到了DN1150。設置彈簧箱時考慮彈簧箱與管道相對走向,避免彈簧箱受力不均。由于彈簧箱底座尺寸一般大于結構支撐梁,為了避免彈簧箱傾覆或結構梁受水平推力扭曲,建議結構梁上預設一塊尺寸大于彈簧箱底座鋼板,且在鋼板與結構梁間設加強筋,如圖17所示。

圖17 彈簧箱底板與結構梁間加強

3.2 臥式重沸器管道布置

以某歧化裝置甲苯塔重沸器為例,重沸器基礎高度將影響重沸器與甲苯塔釜液相對液位,從而影響換熱效率,因此重沸器的基礎高度及管線布置需經專利商審查,以滿足其要求。

對于重沸器出口,專利商要求重沸器返回管線上不能有過多的垂直管段,有且只能有一個垂直管段,管道布置見圖18所示。由于這一要求,造成垂直管段過長,因此需在水平方向上增加彎頭,改變管道走向,增加管道柔性,吸收管線熱脹位移。

圖18 甲苯塔重沸器布置示意圖

殼程進口出現下U,低點設置排凝。臥式重沸器不隨塔的熱脹而移動,因此支座均固定于結構基礎上。甲苯塔出口為 DN900,分兩路 DN600,進入重沸器殼程,由于重沸器鞍座固定于結構基礎上,因此可將重沸器殼程入口視為在豎直方向上固定,因此管嘴以下管道將向下變形,支架的設置應遠離管嘴,支架位置設置如圖19所示。該處支架考慮到重沸器殼程進口管道柔性,避免由于重沸器殼程進口管嘴受力過大造成的泄漏。上部布置方案經應力計算,滿足管道柔性的要求,同時經專利商審查,滿足專利商要求的需求,現場管道及設備布置見圖20所示。

圖19 殼程進口布置示意

圖20 臥式重沸器實例

由于裝置大型化以及工藝包專利商要求,大型裝置塔的臥式重沸器安裝高度均較高,為滿足要求設備一般安裝在鋼結構構架上。重沸器出口管線管徑大,且內部為兩相流,內部介質流速不均勻,介質不斷對管道及設備沖擊,易造成設備及管線震動,設計之初建議對結構以及管線支吊架進行加固。鋼結構立面增加斜撐,增加結構剛度。彈簧剛度過小,管線受沖擊時震動越劇烈,彈簧剛度過大,則不利于管線變形,因此應選用適宜剛度,吸收傳遞管線震動,同時兼顧管道柔性要求。

3.3 釜式蒸汽發生器管道布置

釜式蒸汽發生器主要是利用塔頂氣熱量產生蒸汽,以供裝置使用,提高能源利用率,節省資金。以某歧化重芳烴塔蒸汽發生器為例,利用重芳烴塔塔頂氣熱量,產生低低壓蒸汽,輸送入系統管網,同時對塔頂氣體冷卻,進入下一步工藝流程。該裝置中甲苯塔頂蒸汽發生器利用甲苯塔頂氣熱量,產生超低壓蒸汽,以供余熱發電部分使用。

不同于浮頭式、U 形管式以及管板式換熱器,釜式蒸汽發生器除了管程及殼程進出口外,包含諸如液位計、溫度計、壓力表等附屬設施,在布置管程及殼程進出口管線時,同時要考慮附屬設施的布置及操作。一般在釜式換熱器頂部設置平臺,以便操作頂部閥門及儀表件等。

某重芳烴塔蒸汽發生器為三臺并聯,工藝無對稱要求,布置方式見圖21所示。由于安全閥有六組,數量過多,無法布置在塔頂平臺,因此布置在臨近構架上。為了防止塔熱脹造成安全閥放空管線移位,安全閥布置在遠離塔頂管線,熱脹影響較小一端。由于管線管徑均較大,塔頂出口管線管徑為DN1000,蒸汽發生器管程進口均為 DN750,操作溫度 179 ℃,壓力 0.05 MPa,需要吸收塔頂管線及蒸汽發生器管程進口管線熱脹,在布置過程中,增加“π”彎,增強管線柔性。

圖21 重芳烴塔頂重沸器布置示意圖

對于某歧化裝置甲苯塔頂蒸汽發生器,工藝要求兩臺發生器對稱布置,進口管徑為 DN600,操作溫度為 176 ℃,壓力為0.38 MPa。受空間限制,甲苯塔蒸汽發生器與重芳烴塔蒸汽發生器均布置在同一構架同一層高,蒸汽發生器采用如圖22布置方式。與重芳烴塔蒸汽發生器錯層設置“π”彎,同時增加彎頭,增加管道柔性,減小由于立管過長造成熱脹過大的影響。

圖22 甲苯塔及重芳烴塔頂重沸器聯合布置示意圖

4 總結

煉化行業中浮頭式、U 形管式、固定管板式以及釜式換熱器使用廣泛,其布置方式大體近似,細節各有不同。隨著石油化工裝置規模擴大化,換熱器規格以及管線尺寸急劇增大,換熱器的布置以及管道設計過程中需要注意方面多,如何統一部署,做到合理整齊美觀至關重要。某歧化裝置中的立式及臥式高通量換熱器、蒸汽發生器的管道布置具有一定的代表性,分析布置中應注意的問題,可以為以后相似設備的布置提供參考。