新型U形管板式与传统盘管式天然气加热器对比分析

(江苏特种设备安全监督检验研究院 无锡分院， 江苏 无锡 214023)

天然气加热器( natural gas heater,NGH)是天然气生产输送的重要设备之一，其安全性能和使用性能的高低直接关系到整套设备的安、稳、长、满、优正常运行[1-2]。生产过程当中，如有NGH发生泄漏等故障，热水则进入循环系统中，将会产生燃烧不完全、腐蚀管路及器具等不良后果，轻则导致停车检修，影响正常生产，重则因其易爆特性易引发生产安全问题[3-4]。因此，提高NGH的使用性能和安全性对天然气行业来说有着重要的意义。

传统盘管式NGH在使用初期状况良好，但在设备的长期使用过程中，将会出现启动时间长、加热效率低、维修周期长以及泄漏等问题[5]。因此，近年来越来越多的公司和机构致力于改良传统盘管式NGH以提高其安全性和使用性能。无锡特莱姆气体设备有限公司致力于工业气体和燃气行业的各类(燃气)设备的研发生产，长期为天然气行业客户提供传统盘管式NGH。2011年，公司设计开发了一种新型U形管板式NGH，文中对此进行了详细介绍，以供同行借鉴。

1 传统盘管式NGH

1.1 发展历史

传统盘管式NGH从20世纪80年代出现迄今有30多年的历史[6]，最初主要应用于大型天然气液化工厂的空气分离装置、大化肥合成氨装置及天然气凝液回收装置等，取得了良好的换热效果。随着天然气行业近10 a来的蓬勃发展，盘管式热交换器也被广泛地应用在天然气处理领域。

1.2 结构及主要参数

传统盘管式NGH结构示意见图1，其中的加热器蛇形管部分见图2。

1.检查人孔1 2.NG进口 3.换热管 4.壳程筒体 5.出水口 6.NG出口 7.检查人孔2 8.壳程封头 9.裙座 10.进水口图1 盘管式NGH主要结构示图

图2 盘管式NGH蛇形管

传统盘管式NGH为二类容器，设计寿命20 a，单台质量30 t，换热面积750 m2,其筒体规格(外径×厚度×长度)Ø2 800 mm×12 mm×9 600 mm，壳程材质S30408，符合文献[7]的要求。换热管的规格(外径×厚度)为Ø25 mm×2 mm，其材质为06Cr19Ni10，符合文献[8]要求。传统盘管式NGH主要技术参数见表1。

1.3 主要特点

1.3.1优点

壳体热水容量大，如果碰到断水或供水不足这类极端情况，其换热时间相对较长，可保证设备不易结冰。

壳体顶部有供检修人员进入壳体检查和维修的人孔，此维修只能是现场的初步检查和维修。

1.3.2缺点

(1)制造工艺繁杂且安装、检修成本高 ①传统盘管式NGH内部结构复杂，因而在制定组装工艺时，需要对特殊部分逐一进行试验性验证，确保验证合格后方能制定组装工艺，并用于生产制造。②传统盘管式NGH不能像U形管加热器那样进行穿管装配，需要先进行组屏，并且按照序号进行装配[9]。③焊接在设备制造周期内占有最大的比例。传统盘管式NGH换热管为蛇形小绕管设计，每一个绕管上约有50个焊缝，且这些焊缝全部为手工焊接，这不仅增加了设备制造过程中的工艺难度，更耗时耗力，使得装配周期超过40 d。④整体水压试验后在蛇形管的局部会形成水聚集。为了避免由此引起的腐蚀，采用了高压热空气对蛇形管进行吹扫[10]。

(2)体积大、占用较大空间且安装难度高 ①传统盘管式NGH进、出口的管口为非水平设置且离地面很高，与总管相连接用管很多，而且出水管的管口位置也较高。因此，在安装过程中需要借助吊车等设备，由此增加了人工费和材料费。②在安装准备工作中，对基础土建要求较高，无论是基础纵深还是占地面积都比新型管板式NGH要大得多。

(3)检修成本较高 ①传统盘管式NGH附带的安全阀需要每年校验，而且由于加热器高度太高，每次校验均需调用吊车把人吊上去才能拆下进行检修。②传统盘管式NGH结构较为复杂，发生故障后现场维修可操作性低，必须整体拆卸后返厂维修。返厂后，查找漏点较为困难，外加后续维修时间，一般总的维修时间至少需要20 d。此外，返厂维修拆卸与运输需要大型吊车和运输车，费用也会由此增加不少。

(4)稳定运行周期短且安全隐患高 ①传统盘管式NGH体积大，相应的内部空间也大。设备启动时，热水进入筒体会耗费更多的时间，一般需要30～40 min才能正常工作。②内部空间太大带来的的另一问题是加热、保温成本更高，实际的换热面积与庞大的体积相比来说并不大。③受蛇形管自身结构的限制，壳程介质流速不高。相对直管而言，盘管式结构管程介质流速低，管内摩阻能量损失高，压降大且效率低。④传统盘管式NGH在生产运行过程中易发生泄漏问题，造成泄漏的原因有热应力、管束振动、焊接缺陷和管接头受到冲刷等[11-12]。⑤在实际操作生产中，管壳程介质之间存在一定的温差(约240 ℃)，各换热管之间也存在着较大的温差。此外，设备操作温度周期性发生较大幅度的变化以及处于间歇操作工况下的反复加压、升温和卸压、降温过程中造成的热胀冷缩会产生较大热应力和焊缝应力，从而引发裂纹[13]。⑥换热过程存在物相变化。盘管式结构内部空间流体流动过程中会形成局部湍流，流体介质会对管件焊缝部位产生冲击和冲刷，容易造成焊缝损伤。⑦绕管上手工焊缝的焊接质量不易掌控，容易形成焊接残余应力。大量的现场调查也发现换热管裂纹都发生在焊缝及焊缝热影响区[14]。

2 新型U形管板式NGH

2.1 主要结构及参数

新型U形管板式NGH改变了传统加热器换热管的结构形式，选用了直管换热管，使得结构更加简单实用。新型U形管板式NGH技术参数与传统盘管式NGH相同，其筒体规格(内径×厚度×长度)为Ø1 800 mm×18 mm×800 mm，U形换热管规格为(外径×厚度×长度)Ø25 mm×2 mm×16 000 mm，材质为符合文献[8]中相关要求的06Cr19Ni10。单台新型U形管板式NGH换热面积280 m2,质量9 t，设计寿命20 a，其主要结构示意图见图3。

分析表1、图1与图3可知：①在保证生产要求的前提下，新型U形管板式NGH外形更小，质量也更小。②新型U形管板式NGH相对的换热面积增大，提高了换热效率。③在满足相应工艺前提下，新型U形管板式NGH直径仅为0.816 m，高度为9.54 m，质量仅仅为9 t，具有一定的优势。④采用了立式结构使得U形管能够消除一定的热应力，无需设置膨胀节。⑤管程入口介质为液态天然气，管程出口介质为气态天然气，壳程介质为水，无相变。

2.2 主要特点

2.2.1工艺流程简洁高效

工艺的简化使得新型U形管板式NGH的生产周期大幅缩短。首先得益于U形换热管不需进行组拼，管上无焊接接口，穿管装配管束简化了焊接过程，而且焊缝焊接摒弃了手工焊接，采用自动焊接，提高了焊接的效率，保证焊接的质量。U形管不存在积液问题，水压试验后无需进行吹扫，简化了试验过程。换热管、管板及大法兰均采用 S30408 无缝不锈钢材质，避免了因材料多样而带来的加工复杂和焊接难的问题。外形小使得保温层包覆时间变短。安全附件(安全阀等)可靠性高，无需每年校检。

2.2.2换热效率高且运行稳定

新型U形管板式NGH采用前端封头管箱的结构形式，椭圆封头受力良好，流体进、出口采用上、下布置，不会对管接头造成直接冲刷，有利于液体介质排除。后端采用了U形管束的结构形式，即由1块管板固定多根U 形管的管束结构，换热管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩[15]。因此，当壳体与换热管存在温差时，不会有热应力产生[16]。U形管与管板的焊接结构也有效解决了管束振动对焊缝的损伤问题。换热管的无焊缝性能使得换热管与管板的焊接、壳体焊缝的焊接也全部可以采用自动焊接，有效地保证了相关焊接的质量，解决了设备易泄漏的问题。新型U形管板式NGH不仅换热效率较高，而且空间利用率也较高，设备单位质量的换热面积是盘管式NGH的1.24倍，单位体积的换热面积是传统盘管式NGH的2.25倍。新型U形管板式NGH提高了壳程热水流速，管程介质压降极小，由此不仅保证了换热效率，而且还降低了设备运行能耗和压降大引起的设备故障率。

2.2.3制造、安装与检修成本低

新型U形管板式NGH外形小的特点使得保温成本降低[17]。改进后的加热器工艺程序简洁，制造周期仅为25 d左右，比传统加热器减少了大约15 d，在一定程度上降低了成本。设备质量的减轻意味着承重的减小，由此使得基础土建成本比传统盘管式NGH减少50%左右。设备占地面积比常规设计小很多，节省了较多的空间和场地。天然气进、出口的管口设计为水平设置且距离地面很近，与总管连接用管很少，而且出水管的管口位置也较低。这些管路的安装无需吊车吊装人员和设备，节省了一定的人工费和材料费。外接管道的安全阀不需要校验。管板式加热器可现场拆卸及维修，放水时间短至5 min，不需要拆卸燃气管路，只需拆上部筒体即可进行维修。现场维修费用降低许多，不仅极大缩短了因返厂维修浪费的大量时间，保证了设备尽快投产使用，还降低了设备吊装、运输所需的费用。

3 结语

新型U形管板式NGH不仅比传统盘管式NGH节约40%的成本，而且具有加热效率高、能耗低以及检修快速方便等一优点，已大量投入制造和现场使用，并在生产应用中取得了良好的效果，得到了广大外资公司和燃气公司的一致好评。

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