高效扭曲管換熱器的制造與實(shí)際應(yīng)用

李婉茹，何天宇，王鵬勃，田鑫

(撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧 撫順 113122)

0 引言

2021年末，國(guó)家正式頒布“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，對(duì)制造業(yè)提出綠色化、高效化的制造要求，旨在制造高效率、高產(chǎn)能、高穩(wěn)定性制造工藝和裝置。2023年3月22日，以“低碳轉(zhuǎn)型新形勢(shì)下中國(guó)煉油行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展”為主題的中國(guó)石油煉制科技大會(huì)在北京舉辦，會(huì)議指出，我國(guó)煉油歷經(jīng)70多年的發(fā)展，已位居世界前列，但煉制工藝上仍存在能耗高、碳排放量高等問題。熱交換器作為煉油行業(yè)的重要設(shè)備之一，約占整個(gè)裝置投資的5%～15%、靜設(shè)備總投資的30%～40%。提高熱交換器的傳熱效率，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，是達(dá)到綠色化高效運(yùn)行模式的關(guān)鍵[1]。

換熱管是熱交換器的重要部件。高效扭曲管換熱器，是以扭曲管代替光管，通過優(yōu)化換熱管形式，提高傳熱效率。為此，本文就優(yōu)化扭曲管管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完善管束制造工藝，尋求高效、合理的制造方案進(jìn)行了探析，并介紹了扭曲管管束制造工藝與控制要點(diǎn)以及設(shè)備在實(shí)際裝置中的應(yīng)用。

1 管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扭曲管管束具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、壓降低、自清潔、防震動(dòng)、防短路等特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上體現(xiàn)在以下方面。

扭曲管兩端為圓管，中間任意截面呈橢圓形，使管內(nèi)的介質(zhì)以螺旋線狀流動(dòng)。劉思宇[2]對(duì)管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行的傳熱模擬，確認(rèn)了介質(zhì)在管內(nèi)產(chǎn)生了二次旋流，湍流程度加劇，提高管內(nèi)傳熱系數(shù)。

根據(jù)扭曲管的長(zhǎng)、短軸尺寸，將換熱管中心間距縮小至換熱管之間，可以起到自支撐效果，在單位面積下增加布管數(shù)量，將折流板更改為支撐圈和導(dǎo)流罩形式，在最外圈換熱管依次設(shè)置防短路的擋管、捆扎帶和最外圈的導(dǎo)流罩，上下導(dǎo)流罩用角鋼和螺栓緊固，方便管束檢修與清洗，如圖1所示。

圖1 管束結(jié)構(gòu)詳圖

更改折流板支撐形式，自支撐結(jié)構(gòu)使殼程介質(zhì)呈現(xiàn)縱向螺旋流動(dòng)，介質(zhì)湍流程度相對(duì)劇烈，換熱管外壁的層流層減薄，傳熱效率也得到提高[3]。而且對(duì)換熱管的內(nèi)側(cè)和外壁有一定沖刷作用，雜質(zhì)和污垢不容易附著在換熱管壁，具有管壁自行清潔的優(yōu)點(diǎn)，降低了污垢熱阻。由于介質(zhì)流動(dòng)阻力小，介質(zhì)流動(dòng)中無死區(qū)，殼程壓降低，同時(shí)還起到防震動(dòng)的效果[4]。

2 制造難點(diǎn)分析與措施

2.1 軋管機(jī)改進(jìn)與調(diào)試

公司研制的軋管機(jī)經(jīng)多次調(diào)試后不斷完善已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，并獲得了專利證書(CN 201510677646.8)[5]。軋管機(jī)在軋制時(shí)，調(diào)試要求精度高，要根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)的換熱管，制定軋制參數(shù)，可制造不同曲率、螺距的螺旋扭曲管。軋管機(jī)工作主要是依靠上下兩片壓滾輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，壓滾輪在機(jī)械作用力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)起壓制和滾動(dòng)作用，壓滾輪的表面材料選用膠質(zhì)材料，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能增加與換熱管表面接觸時(shí)的摩擦力且不會(huì)損傷換熱管表面。軋管過程中換熱管隨壓滾輪滾動(dòng)行進(jìn)，軋管機(jī)前后設(shè)置軌道方便換熱管進(jìn)出，每批材料要先將換熱管軋制區(qū)域定尺并試軋，核對(duì)尺寸無誤后，記錄好試軋時(shí)間，設(shè)備連接計(jì)時(shí)器自動(dòng)啟停裝置，后續(xù)此批料每一根管都可按照此時(shí)間統(tǒng)一軋制。要注意碳鋼材質(zhì)的換熱管軋制后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，軋制后可以在熱處理爐進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

2.2 管束支裝與穿管

不同于常規(guī)折流板管束的支裝，扭曲扁管式的管束沒有折流板結(jié)構(gòu)，但要考慮管子組裝后實(shí)現(xiàn)自支撐結(jié)構(gòu)，而且需要注意管子扭曲后排布在管束內(nèi)不易轉(zhuǎn)動(dòng)。

螺旋扭曲管式管束結(jié)構(gòu)中沒有折流板、拉桿、定距管等支撐定位的零件，而是將固定管板和浮動(dòng)管板定尺水平距離，確保管板垂直于地面，中間設(shè)置支撐圈拖住扭曲管。如圖2所示，將扭曲管從側(cè)向逐根穿入固定管板的管孔后再敲回浮動(dòng)管板的管孔里，一層一層操作，保證每一排每一列的扭曲管按照峰對(duì)峰和谷對(duì)谷的形式排列。按照?qǐng)D紙要求放置防短路擋管，管束整體利用鋼帶捆扎后吊裝，進(jìn)行管頭與管板的接頭焊接，再組對(duì)支持圈、導(dǎo)流罩、角鋼和滑道。

圖2 管束支裝

2.3 導(dǎo)流罩部件組對(duì)與焊接

導(dǎo)流罩是螺旋扭曲管管束中重要的部件，一般由導(dǎo)流筒、支持圈、滑道、角鋼、螺栓等組成。支持圈采用數(shù)控激光切割下料成型，既保證材料成本，也可縮短加工周期。導(dǎo)流筒一般是采用3 mm厚度的鋼板滾壓而成，由支撐圈約束導(dǎo)流筒的外形尺寸。焊接支持圈與導(dǎo)流筒時(shí)，采用氬弧焊接，熱量小并且外觀成型美觀，焊接時(shí)采用較小的焊接參數(shù)，控制熱量輸入，減小對(duì)導(dǎo)流筒的形變影響。還應(yīng)注意每一組導(dǎo)流罩和每一塊支持圈的水平直線度，導(dǎo)流罩組裝要避免強(qiáng)行施加外力，必須保證相關(guān)間隙、相鄰兩瓣支持圈的螺栓孔同心度的要求，避免給裝置檢修過程中管束導(dǎo)流罩拆卸帶來不便。

3 扭曲管換熱器在連續(xù)重整的應(yīng)用

某煉化廠120萬噸/年連續(xù)重整裝置中，重整預(yù)加氫系統(tǒng)的預(yù)加氫原料經(jīng)預(yù)加氫換熱器換熱后，物料溫度仍然偏低，導(dǎo)致物料進(jìn)入預(yù)加氫加熱爐后仍需要消耗大量的燃料氣，因此該廠于2021年7月實(shí)施重整預(yù)加氫換熱器優(yōu)化改造項(xiàng)目，在不更換整臺(tái)設(shè)備的前提下優(yōu)化，只更換關(guān)鍵換熱元件管束來達(dá)到提高整臺(tái)設(shè)備性能的目的。

3.1 項(xiàng)目概況及存在的問題

預(yù)加氫進(jìn)料作為冷流體進(jìn)入預(yù)加氫進(jìn)料換熱器(331-E-101A～D)的殼程，四臺(tái)換熱器串聯(lián)放置，進(jìn)料經(jīng)換熱后，進(jìn)入預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐(位號(hào)：F-101)，介質(zhì)在加熱爐反應(yīng)后再經(jīng)過預(yù)加氫反應(yīng)器(位號(hào)：R-101)、脫氯反應(yīng)器(位號(hào)：R-102)，預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物作為熱流體從預(yù)加氫進(jìn)料換熱器331-E-101A～D管程進(jìn)入，最后介質(zhì)流經(jīng)預(yù)加氫產(chǎn)物空冷器，最后到預(yù)加氫氣液分離罐，工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

預(yù)加氫系統(tǒng)的預(yù)加氫原料的進(jìn)料溫度36 ℃，經(jīng)過預(yù)加氫進(jìn)料換熱器(331-E-101A～D)殼程換熱后，以溫度226 ℃進(jìn)入預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐。由于預(yù)加熱溫度低，造成加熱爐的進(jìn)出口溫差太大，導(dǎo)致預(yù)加氫加熱爐消耗大量的燃料氣，既造成了能源的浪費(fèi)，又加大了加熱爐的負(fù)荷。另一方面預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物被空冷器和循環(huán)水冷卻，存在大量的熱量損耗。為了充分利用預(yù)加氫反應(yīng)產(chǎn)物的余熱來預(yù)熱原料油及氫氣，節(jié)約加熱爐燃料的氣用量，同時(shí)減少空冷電耗及循環(huán)水用量，因此決定更換管束，改為高效扭曲管管束。

優(yōu)化前：預(yù)加氫進(jìn)料換熱器的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)加氫進(jìn)料換熱器的工藝參數(shù)表

3.2 管束設(shè)計(jì)優(yōu)化

預(yù)加氫進(jìn)料換熱器(331-E101A～D)為雙殼程U型換熱管換熱器，設(shè)備型號(hào)為BFU1300-2.75/3.3-763-7.4/19-2I，折流板形式為雙弓形，換熱管采用光管形式。優(yōu)化改造后采用高效扭曲管管束替代，換熱管直徑為φ19 mm，將換熱管由光管更換為扭曲管后，管板的布管由原來的只有885 根達(dá)到988 根，換熱面積單臺(tái)相比較原來可增加11.6%。由于結(jié)構(gòu)中取消了折流板、拉桿和定距管支撐固定，單根換熱管的有效換熱面積比光管時(shí)提高1.05%。

3.3 設(shè)備優(yōu)化成果

改造優(yōu)化后的預(yù)加氫進(jìn)料換熱器投入使用一段周期后，設(shè)備傳熱效率明顯提高：預(yù)加氫進(jìn)料的溫度36 ℃，優(yōu)化后，預(yù)加氫進(jìn)料加熱爐(F-101)的入口溫度由原來的226 ℃提升至246 ℃；加熱爐進(jìn)出口溫差由50 ℃降低至30 ℃；設(shè)備總熱負(fù)荷提高25%。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)加氫進(jìn)料量140 t/h時(shí)，氫油比100的情況下，停工檢修前在預(yù)加氫裝置80%負(fù)荷時(shí)，加熱爐出入口溫差50 ℃以上，優(yōu)化后，預(yù)加氫進(jìn)料換熱器換熱效率提高約1.5倍，加熱爐溫差由50 ℃降至30 ℃。節(jié)約加熱爐消耗燃料氣215 Nm3/h，即溫度每升高1 ℃節(jié)約燃料11 Nm3/h，每Nm3燃料價(jià)格按照2.0元計(jì)算，年運(yùn)行時(shí)間按8 400 h計(jì)算，該項(xiàng)目節(jié)能效益可達(dá)到374萬元/年。現(xiàn)更換4臺(tái)管束的費(fèi)用約390萬元，基本一年就可以收回投資成本。這次高效扭曲管換熱器在實(shí)踐應(yīng)用中節(jié)能效果特別明顯，優(yōu)化改造充分滿足了重整裝置的運(yùn)行需求。