大型煤化工變換單元雙U型管換熱器設計

于 清 杜曉杰 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

在煤化工領域，需要在CO變換單元將一氧化碳氣體變換成氫氣，在常規變換工藝流程設計中，進變換爐前需要設置粗煤氣預熱器，將進變換爐的粗合成氣預熱，高出露點一定溫度后送至變換爐。同時，為回收變換反應熱，設置蒸汽過熱器將變換單元副產的中壓飽和蒸汽過熱。

當變換單元為中小規模時，粗煤氣預熱器和蒸汽過熱器多采用傳統BEU型式。受粗煤氣氣量、平均溫差、壓降等影響，此型式的換熱器外形一般呈短粗型且工藝氣側的壓降略大。隨著大型煤化工項目的建設需要，變換單元規模及處理氣量也越來越大。在換熱器計算過程中，當粗煤氣處于完全湍流狀態時，流體經過換熱設備的壓力和流體流速的平方成正比，也同時和換熱管長成正比。對于和本文相關的這兩臺換熱器，如變換單元的規模從60萬噸/年提高到120萬噸/年，粗煤氣換熱器和蒸汽過熱器工藝側的流速將提高2倍，粗煤氣側的壓降將提高4倍，實際計算時，粗煤氣側的壓降遠超過控制值。為降低粗煤氣側壓降，一般通過增加換熱器直徑(即增加換熱管數量)來增加流體的流通截面積，或者通過減少換熱管長來實現，這樣換熱設備容易做成短胖型。而且，不可能無限減小換熱管長。另一種思路就是采用多臺換熱設備并聯方式，目的是減少單臺換熱器的處理氣量來降低單臺設備的壓降，但又提高了設備造價，增加了設備占地。

故本文將介紹一種適用于上述工況的新型雙U型換熱器的構造和自身特點、同傳統U型管殼式換熱器的差異，以及已投用項目運行情況。

1 換熱器設計基礎

本文以某煤制氣項目變換單元的粗煤氣預熱器為例，該換熱器的設計參數見表1。

表1 原料氣預熱器操作條件參數

2 換熱器型式比較

2.1 換熱器型式簡介

2.1.1 單U型管換熱器

本文介紹工況的傳統U型換熱器示意圖見圖1。

圖1 單U型管換熱器示意圖

2.1.2 并聯單U型管換熱器

本文介紹工況如采用傳統U型換熱器，管程和殼程氣體側壓降均很大，一定程度上會增加工廠能耗，同時，在大規模項目中會出現換熱器直徑過大、密封效果差等問題。為減少壓降，一般會采用多臺換熱器并聯設計，詳見圖2。

圖2 雙U型管換熱器并聯示意圖

2.1.3 新型雙U型管換熱器

新型雙U型管換熱器是在兩臺換熱器并聯的基礎上進行優化，將換熱器的管程放置在同一個殼程內，即：單殼程和兩段管程構成一臺換熱器。該型式的換熱器具有以下顯著特點：

(1)換熱器為雙U型管式換熱器。換熱器包含兩套管箱、管板和U型管束，且規格尺寸完全一樣。

(2)兩套管箱、管板和U型管束，呈180°布置于一個殼體中。

(3)殼程為同一種介質；管程為另外同一種介質。

(4)殼程和管程的流體在新型雙U型管換熱器入口前已通過管道設計均分為兩路。

新型雙U型管換熱器兩端管箱處分別設有1個入口和出口，管程流體從該扣流入，換熱后從出口流出。新型雙U型管換熱器殼程在靠近管板處分別設有1個入口，在殼程中部設有1處出口。殼程流體從殼體進口流入，換熱后從出口流出。這種設計保證兩套U型管束冷流體和熱流體的換熱工況完全一樣，見圖3。

圖3 新型雙U型管換熱器示意圖

2.2 三種不同型式換熱器計算結果

將Aspen plus計算物性數據導入HTRI軟件，利用HTRI軟件對三種不同型式的換熱器進行了計算，計算結果見表2。

表2 不同類型換熱器計算結果

2.3 三種不同型式換熱器比較

2.3.1 概述

表2中所示的三種不同型式換熱器相比：

單U型管換熱器殼程直徑小，重量低，但殼程和管程的壓降均很高，超出一般換熱器控制壓降指標(<30kPa)。該換熱器殼程和管程均為工藝介質，且后系統工藝技術需要再提高壓力，壓降大會造成后系統壓縮機功率提高；如果將管、殼程的壓降有效降低，需要增大殼程的直徑，即同步增加換熱管根數。在換熱面積一定的情況下，設備會呈現出直徑大、換熱管短的短粗型外觀。

并聯U型管換熱器雖然解決了壓降問題，但是和新型雙U型管換熱器相比，由于分成兩臺設備，相應設備重量略高。同時，因是兩臺設備，考慮設備間距等因素，占地也會略大。本文介紹的換熱器為壓力容器，從設備維護、壓力容器檢驗方面來看，一臺新型雙U型管換熱器比兩臺U型管換熱器具有壓力容器檢驗設備數量少、維護費用低等優勢。

2.3.2 節能

如表2中所示，新型雙U型管換熱器的壓降和并聯多臺U型管換熱器相同，均比單U型管換熱器減少110kPa。以某運行項目為例，如果單U型管換熱器144kW壓降對應的壓縮機的功率為689kW，并聯多臺U型管換熱器和新型雙U型管換熱器的壓降34kW壓降對應的壓縮機的功率為163kW。將減少的110kPa壓降轉換為壓縮機電耗為526kW，按照電價0.5元/kW·h，每年因電費可節約操作成本為210.4萬元/年(8000h/年操作時間)。詳見不同類型換熱器電耗壓降對比圖(圖4)。

圖4 不同類型換熱器電耗壓降對比圖

2.3.3 投資

投資對比見表3：

表3 不同類型換熱器投資對比

2.3.4 設備設計制造

新型雙U型管換熱器與傳統BEU型管換熱器相比，在制造加工方面沒有任何特殊要求，體現在以下三個方面：

(1)此新型換熱器與傳統換熱器相比，考慮到操作壓力，操作溫度等工況，管板均采用凸肩結構，管板、管箱、筒體及殼程殼體均采用焊接結構方式，即《熱交換器》GB/T151—2014中第7.4.1.1條的b結構。管板與換熱管的連接形式采用強度焊+貼張的脹焊并用結構。

(2)兩種換熱器管板的計算模型均采用《熱交換器》GB/T151—2014中第7.4.4.3條給出的計算方法，兩者的計算模型是完全一致的。

(3)兩種類型的換熱器的制造，檢驗以及驗收均是一致的，無特殊要求。

3 運行情況

本文所述的雙U型管換熱器已在某煤制氣項目中投產使用，該換熱器已運行一年有余，項目運行負荷已達到設計負荷，該設備的運行統計數據見表4：

表4 新雙U型管換熱器運行數據

從運行情況看，運行工況和原設計工況基本吻合，該換熱器運行情況良好，換熱器殼程、管程物料換熱能夠滿足項目運行需要，殼程和管程的壓降均和原設計值相似。

4 結語

本文所限定的粗煤氣預熱器和蒸汽過熱器這兩臺設備，如采用本文所介紹的新型雙U型管換熱器，有以下優勢：

(1)換熱器壓降?。涸谕瑯拥倪M氣參數下，同相同直徑的單U型管換熱器相比，本新型雙U型管換熱器管、殼程的壓力降可大幅降低，降低～3/4。

(2)將兩臺短胖型的單BEU型換熱器改變成一臺長徑比合適、外觀相對美觀的換熱設備，避免單BEU型換熱器長徑比偏小的外形設計。

(3)同并聯多臺BEU型換熱設備相比，可顯著降低設備造價。