高温高压下两种大温差换热器结构的对比分析

陈 晨 张志远

（1.山东三维石化工程股份有限公司； 2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）

随着我国经济的高速发展， 石化装置在趋于大型化发展的同时，压力、温度也不断提高。 在石化装置中，换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%～45%［1］， 伴随着节能技术的发展，通过热交换器实现装置能量的回收利用， 带来了可观的经济效益，在此驱动下，这一占比越来越高。例如， 变换炉型式的发展从最初的绝热型到内置π 形换热管束，形成可移热、控温式的变换炉，这种炉型可将变换反应的副产热量及时移走， 有效控制了变换炉的反应温度， 不仅有利于提高反应深度，还能有效避免变换炉“超温”现象。正因为对单台变换炉反应深度的大幅度提升， 整个变换流程由早期的三段甚至四段炉全绝热反应， 缩短为现在的两段控温反应或三段炉绝热加控温反应。由此可见在提高装置核心设备压力、温度的同时，巧妙地设计换热管的布置结构不仅能够缩短工艺流程，减少占地面积，降低总投资，而且能保证整个装置安全、长周期、高效的运行。

笔者通过对两个氨合成项目中不同结构废锅换热管的布置结构进行对比分析，为其他类似工况下换热器的优化提供借鉴。

1 喷泉式结构废锅

喷泉式结构废锅主要设计参数见表1 （设备管程进口管和热箱设计温度为440℃， 换热管和管板设计温度为400℃， 管箱和出口设计温度为330℃），其结构示意图如图1 所示。

表1 喷泉式结构废锅主要设计参数

从设计参数中可以看出，管程进出口温差高达142℃， 如果采用传统的两管程U 形管上下的布管方式，会使管板上半部与下半部存在较大的温差，管板上下两部分沿径向膨胀不均匀，变形不协调会引起较大的温差热应力，该热应力与压力产生的应力相互叠加，导致无法采用常规设计对管板进行计算，管板的数值模拟分析也将会变得异常复杂。 另一方面，由于管板变形不协调，有可能使管板与管、 壳程筒体的焊缝出现裂纹，并且管板分程隔板处的换热管焊接接头极易发生泄漏，导致换热器不能安全、长周期稳定运转。 如果无法满足长周期要求运行的， 对于这种进出口大温差换热器， 可能需要二级甚至三级换热器进行换热。

图1 喷泉式结构废锅示意图

从喷泉式结构废锅示意图中可以看出，该管板为周边固支且受侧向压力作用的圆平板，其最大应力在边缘处，应力方向为径向［2］。根据应力分布特点，如布管示意图所示，将高温气进口布置在管板中间区域，将经过换热降温后的气体出口布置于管板周边，这样不仅可以对管板进行常规计算，而且基本保证了整个管板沿各个方向热膨胀的一致性，使得管板受力处于良好状态，大幅降低了管头泄漏的可能性。 但对于边缘简支型的管板， 如GB/T 151—2014 中第7.4.1 条图a 所示的夹持管板［3］，其最大应力在管板中心，根据应力特点宜将高温区设置于管板边缘，低温区设置于管板中心。

2 刺刀式结构废锅

刺刀式结构废锅主要设计参数见表2 （管程进口管、热箱和内管设计温度为420℃，管箱、出口管、换热管和管板设计温度为300℃），其结构示意图如图2 所示。

表2 刺刀式结构废锅主要设计参数

图2 刺刀式结构废锅示意图

如换热管结构简图所示，刺刀式结构的换热管是由两根不同外径的管子组成的，外管一端用堵头封死，内管两端均为开口，热气由内管进入，在外管堵头端折返后通过两管环隙与壳程介质进行换热。 内管外壁需包覆或者喷涂一层特殊的隔热材料，可有效阻止介质在回流过程中进行二次取热，内管出口端与外管堵头端部还需要留有一定的热膨胀空间。 由于管间隙内为低温介质，使得管板的设计温度大幅降低，同时整个管板温度分布几乎一致，外管一端又为自由端，不存在热应力的影响，因此外管与管板的焊接接头泄漏的可能性较小，安全性高。

3 两种结构的对比分析

喷泉式结构废锅与刺刀式结构废锅的管程侧均采用冷壁式结构，即高温气从管箱内部的热箱进入换热管内，让换热后的低温介质与管箱筒体接触。 由于合成塔出口的合成气中氢含量的摩尔比往往占到近60%，氢分压较高，从纳尔逊曲线［4］可以看出，氢分压一定的情况下，温度的变化对材料的选取影响极大。 在高温高压的临氢环境中，采用冷壁式结构可以大幅度降低设备造价。

喷泉式结构采用发散的U 形管布置，设计过程中往往需要借助三维软件进行布管，需要对U形管进行分区并按顺序编号，工作量大，并且制造时组装难度也大，对制造厂的要求比较高。 相比于刺刀式结构，喷泉式结构管板的金属温度明显较大，管板与换热管焊接接头的可靠性略低。

刺刀式结构布管比喷泉式结构布管更加紧凑，在相同换热面积下，刺刀式结构换热器直径会小于喷泉式结构，具有经济性优势。 刺刀式结构除了结构简单，制造过程组装难度不大，设备运行安全稳定性高外， 还具有传热效率高的优点。 常规管壳式换热器的换热管为单管结构，管内介质呈柱状流动状态，换热器的传热系数取决于管内介质流速，流速的大小又决定了管内介质边界层的厚度，因此管内边界层的厚度直接决定了其传热效率。 刺刀式结构换热管的管间介质呈环状膜态流动，具有稳定的边界层厚度，相比于单管结构，尽管拥有较好的换热性能，但是介质在内管出口端发生急剧180°流向改变，动能损失大，具有阻力降高的缺点；此外由于刺刀式结构换热管的内管一侧为自由端，若存在内管出口端流速过高或者环隙间流速过高的情况，容易引发内管振动，内管振动后会使之外侧的绝热层松散或脱落，冷却后的介质会被再次加热，降低传热效率，严重情况下甚至会发生环隙堵塞。 介质流速的确定是刺刀式结构的关键， 确定合理的内、外管径不仅能避免振动，还能降低阻力降。

4 结束语

通过对比分析喷泉式结构废锅与刺刀式结构废锅的优缺点，希望能够在一些装置改造或者工艺流程优化中， 结合上下游设备的工艺情况，对此类高温高压工况下、管程进出口大温差的换热器提供一些设计思路和优化方法。