绕管式换热器在大型连续重整装置中的应用①

时间：2024-07-28

罗超华

(中海石油宁波大榭石化有限公司)

绕管式换热器是一种高效紧凑型换热器，目前多用于深冷装置，如甲醇洗设备、空分设备和天然气液化设备。据统计，90%的大型陆上天然气液化工厂均采用了绕管式换热器[1]。目前，连续重整装置中的重整进料换热器大多采用的是板壳式换热器和直管立式换热器，然而板壳式换热器可靠性差，易损坏；直管立式换热器的换热效率低，导致换热器热端温差大，回收热量少，操作费用高[2]。近年来，绕管式换热器已被逐渐应用于连续重整装置中，而绕管式换热器能够很好地解决上述问题。

1 绕管式换热器的结构特点

绕管式换热器是一种特殊的管壳式换热器，主要由壳体、换热管、芯部金属管及垫条等组成，其剖面结构示意图如图1所示。在与管板相连的芯部金属管上，以螺旋状交替缠绕数层小直径不锈钢管，换热管用垫条分隔，以保证管子之间的横向和纵向间距，垫条与管子之间用管卡固定连接，换热管与管板采用强度焊加贴胀的连接结构，芯部金属管在制造中起支承作用，因而要求具有一定的强度和刚度。

图1 绕管式换热器剖面结构示意图

绕管式换热器的筒径由缠绕管束的总体尺寸决定。在设计绕管时应严格控制缠绕角度(一般为5～20°)、管层之间的距离、传热管轴向管间距、邻层相邻传热管间的切向距离及邻层相邻传热管的轴向相对距离等参数，以确保换热器结构合理紧凑[3]。

绕管可以采用单根绕制，也可以采用两根或多根组焊后一起绕制。当管程通入的介质为单股时，称单股流绕管式换热器；当管程通入多股介质时则构成多股流绕管式换热器。为了使管程流体均匀分布，每个单管程通道通常采用等长管子制造，并且同一层上的绕管应均匀布置。

绕管式换热器的结构型式决定了它具有不易结垢、结构紧凑、传热管热膨胀可自行补偿、管内操作压力高及单位负荷金属消耗少等优点，而且容易大型化制造。绕管式换热器的缺点主要是壳程清洗困难，因此只能用于介质比较干净的场合，另外绕管式换热器只能竖直安装，其下管板与管子间易产生晶间腐蚀而导致内漏[4]，因此需要在选型和制造时予以避免。

2 换热器的选型与应用

在大型连续重整装置中，重整进料换热器起着回收反应出料热量、提高混合进料温度、降低加热炉负荷和产物空冷器负荷的作用，是装置节能的关键设备，其性能直接影响整个企业的能耗指标[5]。一旦重整进料换热器发生内漏，原料会泄漏到产物中，导致芳烃产品质量不合格，影响企业的经济效益。2009年，华锦石化公司首次将绕管式换热器作为重整进料换热器并应用于新投产的年产量50万吨重整装置中[2]，应用结果表明绕管式换热器热端温差27℃，总压降68kPa，运行情况一直良好。上海石化公司年产量100万吨的重整装置进料换热器原采用板壳式换热器，由于发生内漏于2012年更换为绕管式换热器，更换后其热端温差30℃，总压降84kPa，运行情况良好。天津石化公司年产量80万吨的重整装置进料换热器原采用直管立式换热器，由于换热效果差于2012年更换为绕管式换热器，更换后其热端温差36℃，总压降74kPa，运行情况良好。

某公司年产量150万吨的连续重整装置属于大型连续重整装置，其重整进料换热器的工艺技术参数见表1。由于绕管式换热器具有明显的优势，且已有3个成功应用案例，因此为了实现节能降耗，提高企业经济效益，该公司决定选用国产绕管式换热器代替原重整进料换热器。绕管式换热器的主要结构参数见表2。

表1 原重整进料换热器的工艺技术参数

表2 绕管式换热器的主要结构参数

该绕管式换热器于2015年4月制造出厂，2016年5月投入运行，主要运行指标与设计值以及与同规模板换的对比见表3。由表3可以看出，在100%运行负荷下，热端温差、管程压差和壳程压差都明显优于设计值，也优于同规模的板换。由于热端温差比设计值小18℃，因此加热炉的热负荷明显低于设计值，实际操作中加热炉的瓦斯耗量明显减少，24个火嘴只需投用16个即可达到工艺操作要求。按照重整进料介质比热3.65kJ/kg·℃和重整装置95%的平均加工负荷计算，节约热量为3.65×225.572×0.95×18=14079MJ/h，按照瓦斯发热量37.476MJ/kg和加热炉热效率92%计算，节约瓦斯量为14079÷37.476÷0.92=408kg/h。由于压差较小，因此循环氢压缩机的蒸汽耗量明显低于设计值，3.5MPa蒸汽的实际耗量在22t/h左右，较设计值减少了5t/h。两项合计节约827kg/h(标油)，按照一年8 400h计算，一年可节省约6 947t标油，节能降耗效果明显。

表3 绕管式换热器主要运行指标与设计值