鄭　俊,史新?tīng)I(yíng)

(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(shè)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(lái)，由于換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)的成熟應(yīng)用，越來(lái)越多的高效換熱器替代管殼式換熱器出現(xiàn)在常減壓裝置中[1]。

1　高效換熱器簡(jiǎn)介

1.1　雙弓形折流板換熱器

雙弓形折流板在結(jié)構(gòu)上增加了折流板切圓面積，如圖1所示。流體經(jīng)過(guò)殼程被分成兩股平行流，從而增強(qiáng)了殼程的軸向流，降低了殼程壓降。但同時(shí)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(shù)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(guó)菲利浦公司開(kāi)發(fā)出的一種新型管殼式換熱器，結(jié)構(gòu)上打破了傳統(tǒng)換熱器利用弓形折流板間距改變流體流速及阻力來(lái)增強(qiáng)傳熱效果的技術(shù)路線，其殼程用一系列桿式結(jié)構(gòu)的折流圈，將流體流動(dòng)由橫向流變?yōu)檩S向流，降低流動(dòng)阻力，消除了流動(dòng)死區(qū)[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(dòng)問(wèn)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(chǔ)上，通過(guò)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(nèi)插物管等。

1.3.1波紋管換熱器

波紋管是20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品，是一種內(nèi)外壁軋成波紋凸肋的異形雙面強(qiáng)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(fā)生變化，增強(qiáng)流體湍流程度，強(qiáng)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(yīng)力小和抗垢性能好等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　波紋管

1.3.2內(nèi)插物換熱器

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

圖3　交叉鋸齒帶內(nèi)插物

圖4　Hitan繞絲花環(huán)內(nèi)插物

1.5　板式換熱器

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

近年來(lái)，板式換熱器因其良好的傳熱效果、緊湊的設(shè)備結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在大型常減裝置和常減壓擴(kuò)量改造中得到了廣泛的應(yīng)用。更有文獻(xiàn)[7]認(rèn)為通過(guò)在常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)窄點(diǎn)處采用板式換熱器可有效降低最優(yōu)傳熱溫差，進(jìn)而降低裝置的總公用工程消耗量，以達(dá)到降低裝置能耗的目的。但由于板式換熱器的設(shè)備投資遠(yuǎn)高于普通管殼式換熱器，故對(duì)其經(jīng)濟(jì)性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2　高效換熱器的應(yīng)用效果分析

利用HEPC換熱器計(jì)算軟件，對(duì)某廠250萬(wàn)t/a常減壓裝置中部分油-油換熱器，進(jìn)行高效換熱器和普通管殼式換熱器的對(duì)比分析。

2.1　折流板與折流桿換熱器性能對(duì)比

表1　原油-常頂循采取不同型式換熱器對(duì)比

表2　閃底油-常二中采取不同型式換熱器對(duì)比

表1和表2計(jì)算結(jié)果表明，換熱器在管殼程流量相同、進(jìn)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(shù)關(guān)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(shù)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(shù)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(yōu)勢(shì)，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(duì)比

表3　低溫段原油-渣油(Ⅴ)特型管換熱器與光管換熱器對(duì)比

表4　高溫段原油-渣油(Ⅰ)特型管換熱器與光管換熱器對(duì)比

雖然常減壓裝置中大多數(shù)的油-油換熱器選用普通光管可達(dá)到換熱要求，但對(duì)于原油、減壓渣油和減壓蠟油等粘度較大、結(jié)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(kāi)工初期能滿足換熱要求，但運(yùn)行一段時(shí)間后，由于油品結(jié)垢問(wèn)題嚴(yán)重，造成換熱效果急劇下降。

表3和表4計(jì)算結(jié)果表明，在管殼程流量相同、進(jìn)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(qiáng)化的作用。對(duì)比分析可知特型管可有效提高傳熱效率，總傳熱系數(shù)關(guān)系為K波紋管>K內(nèi)插物管>K光管，殼程壓力降△P波紋管>△P內(nèi)插物管>△P光管。對(duì)于低溫段粘度較大的油-油換熱，內(nèi)插物管和波紋管總傳熱系數(shù)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(duì)于高溫段粘度較大的油-油換熱，內(nèi)插物管和波紋管總傳熱系數(shù)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(duì)于管殼程粘度較大的油-油換熱器， 低溫段應(yīng)優(yōu)先選用內(nèi)插物管換熱器，高溫段優(yōu)先選用波紋管換熱器。

2.3　板式換熱器與管殼式換熱器對(duì)比分析

表5計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明板式換熱器的總傳熱系數(shù)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(qiáng)化傳熱效果越明顯。在該工況下，兩種油品進(jìn)出口溫度均大于240℃，該裝置按高硫高酸原油設(shè)計(jì)，故板式和管殼式換熱器管束選材均為316L。該材質(zhì)下，板式換熱器單位換熱面積設(shè)備投資費(fèi)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(shè)備價(jià)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(shè)備投資成本才有明顯優(yōu)勢(shì)。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(jīng)濟(jì)效益顯著。

表5　板式換熱器與管殼式換熱器對(duì)比

板式換熱器材質(zhì)最低為不銹鋼，故對(duì)于管殼程選材均為碳鋼的工況，就設(shè)備一次性投資角度而言，板式換熱器并不占優(yōu)勢(shì)。故換熱器選型中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況，合理利用板式換熱器，降低設(shè)備投資，提高裝置盈利能力，縮短投資回收期。

3　結(jié)語(yǔ)

高效換熱器選用應(yīng)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(yōu)勢(shì)。(2)對(duì)粘度較大的油-油換熱，低溫段應(yīng)優(yōu)先選用內(nèi)插物管換熱器，高溫段優(yōu)先選用波紋管換熱器。(3)板式換熱器替代管殼式換熱器時(shí)，應(yīng)經(jīng)設(shè)備投資對(duì)比，合理選用。