丁傳琪，李燕鵬，王波

（中國空分設(shè)備有限公司，浙江杭州310051）

大型空分裝置配套水浴式汽化器的設(shè)計理念與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

丁傳琪，李燕鵬，王波

（中國空分設(shè)備有限公司，浙江杭州310051）

針對大型空分裝置配套水浴式汽化器，從設(shè)計角度出發(fā)，以節(jié)能減排為目的，討論如何從設(shè)計理念方面（包括傳熱模型、放熱方式、準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式的選取等）以及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面來進(jìn)一步優(yōu)化，使水浴式汽化器理論計算更有依據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，真正達(dá)到快速響應(yīng)以及節(jié)能減排的目標(biāo)。

水浴式汽化器；傳熱模型；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；快速響應(yīng)；節(jié)能減排

1 背景

近年來，隨著冶金、石化以及煤化工等行業(yè)規(guī)模不斷大型化發(fā)展，與之匹配的空分裝置大型化成為必然趨勢。60000 m3/h、80000 m3/h，甚至是100000 m3/h（均指氧產(chǎn)品產(chǎn)量）及以上等級的空分裝置開始不斷涌現(xiàn)。為了保證在空分裝置故障停車時下游用氣各單位能夠持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，絕大多數(shù)空分裝置都會考慮同時配套與所需氣量相當(dāng)?shù)拇笕萘亢髠涔庀到y(tǒng)。后備供氣系統(tǒng)加壓汽化供氣的快速與穩(wěn)定程度，往往決定了下游用氣各單位各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性與安全性。

目前廣泛使用的液體貯存加壓汽化供氣系統(tǒng)主要由低溫液體貯槽、液體加壓泵、汽化器和管網(wǎng)系統(tǒng)組成。其中汽化器作為關(guān)鍵設(shè)備，主要有空浴式汽化器和水浴式汽化器兩種?？赵∈狡饕话銥殇X合金或不銹鋼材質(zhì)型材管，對管內(nèi)低溫液體加熱采用大氣的自然對流放熱方式，大氣自然對流放熱系數(shù)低決定了其尺寸結(jié)構(gòu)龐大、占地面積大；而且空浴式汽化器維護(hù)檢修困難，且單臺設(shè)備因大氣中水分結(jié)霜層增厚并延伸無法長時間穩(wěn)定連續(xù)工作（一般需兩臺同規(guī)格空浴式汽化器切換工作）；另外，空浴式汽化器換熱機(jī)理決定了汽化器氣體出口溫度一定低于環(huán)境氣溫，汽化器氣體出口溫度受環(huán)境氣溫及濕度的影響很大。綜合上述原因，現(xiàn)代大型空分裝置配套汽化器多采用水浴式汽化器，在很大程度上能夠彌補(bǔ)空浴式汽化器的不足。

2 水浴式汽化器的特點(diǎn)

水浴式汽化器作為空分裝置的后備供氣系統(tǒng)配套的關(guān)鍵設(shè)備，在冶金、石化、煤化工等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，一般有以下特點(diǎn)：

（1）不銹鋼材質(zhì)的多層繞管式管束換熱器結(jié)構(gòu)，適用于帶壓低溫液體的沸騰汽化并復(fù)熱至常溫的工藝過程；同時，繞管式管束結(jié)構(gòu)可適應(yīng)溫度劇烈變化；盤管管束可單獨(dú)抽芯，便于設(shè)備清潔與檢修；采用立式結(jié)構(gòu)，占地面積小。

（2）熱源采用蒸汽間接加熱方式，首先蒸汽加熱中間介質(zhì)流動水，流動水進(jìn)而加熱盤管內(nèi)低溫液體，熱量傳遞過程有較完善的理論設(shè)計計算依據(jù)；通過水溫控制蒸汽流量，保證汽化穩(wěn)定；單臺汽化量大，設(shè)計汽化能力范圍500～150000 m3/h；承壓能力范圍廣。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠，使用壽命長；一般需要配備循環(huán)水泵，以提高水側(cè)流速，實現(xiàn)強(qiáng)制對流，強(qiáng)化換熱效果，達(dá)到快速響應(yīng)要求。

（4）單臺設(shè)備結(jié)構(gòu)上可設(shè)計成同時處理多股流汽化復(fù)熱。

（5）無需備用汽化器，工藝氣出口溫度不受環(huán)境氣溫影響。

3 大型空分配套裝置水浴式汽化器設(shè)計理念

大型空分裝置配套水浴式汽化器要求汽化量大、承壓能力高、響應(yīng)迅速、工作穩(wěn)定、操作維護(hù)簡便。同時為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，要求汽化器在設(shè)計過程中盡可能做到設(shè)計計算準(zhǔn)確（即傳熱計算及流體流路設(shè)計等要符合所選擇的傳熱學(xué)計算準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式模型相應(yīng)規(guī)定），使實物結(jié)構(gòu)與設(shè)計計算更加符合，以避免汽化器在使用過程中無效的熱能消耗。而目前國內(nèi)一些水浴式汽化器生產(chǎn)制造廠家，雖然設(shè)備本身汽化能力（僅指氣量、壓力）也能滿足設(shè)計要求，但在實際使用過程中我們也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)實際蒸汽的耗量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計值，大量的熱水并沒有經(jīng)過熱量回收就已直接排走。這些熱量損失都勢必會造成能源的浪費(fèi)，而且隨著裝置的大型化，浪費(fèi)的能源也會隨之增多，這與今天我們所提倡的節(jié)能減排的主流思想不符。

針對上述實際情況，本文將重點(diǎn)從設(shè)計角度出發(fā)，討論大型空分裝置配套水浴式汽化器一些合理的設(shè)計理念及汽化器結(jié)構(gòu)上的一些改進(jìn)與優(yōu)化，以引起各有關(guān)汽化器設(shè)計者及生產(chǎn)廠家的關(guān)注。

（1）水浴式汽化器傳熱模型的選取

傳熱模型選取的正確與否，將直接影響汽化器傳熱計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此我們在開展設(shè)計工作之前必須首先明確這一點(diǎn)。蒸汽水浴式汽化器主要通過蒸汽噴射后遇水凝結(jié)液化放熱加熱容器內(nèi)的流動水，被加熱的流動水進(jìn)而對通入繞管中的低溫液體放熱完成熱量傳遞使低溫液體沸騰汽化并復(fù)熱至常溫。顯而易見，熱量首先由水蒸汽傳遞給流動水，再由流動水傳遞給低溫液體，是三種不同狀態(tài)介質(zhì)之間串接的熱量傳遞過程。

對于蒸汽加熱容器內(nèi)流動水的過程，我們可以簡單理解為遇水后水蒸汽凝結(jié)放熱的一個熱量傳遞的過程，而主要的傳熱過程發(fā)生在熱水與換熱盤管內(nèi)的低溫液體之間，是我們主要討論內(nèi)容。從傳熱學(xué)原理我們可以知道，在熱、冷流體進(jìn)、出口溫度已確定的條件下，逆流時的對數(shù)平均溫差恒大于順流時的對數(shù)平均溫差，故從傳熱推動力對數(shù)平均溫差Δt的角度看，逆流總是優(yōu)于順流。因此水浴式汽化器的傳熱計算模型也是基于熱水流動方向與換熱盤管內(nèi)低溫液體流動方向之間為逆向流動的傳熱過程。對于低溫液體沸騰汽化并復(fù)熱至常溫的過程，由于管內(nèi)低溫液體存在包括相變過程在內(nèi)的復(fù)熱過程，通常我們將整個汽化器工作過程分為三個區(qū)段：過冷區(qū)段、沸騰區(qū)段、過熱區(qū)段。三個區(qū)段均采用逆向流動傳熱模型進(jìn)行計算。圖1為低溫液體汽化過程中的區(qū)段劃分示意圖。

圖1 低溫液體汽化過程區(qū)段劃分示意圖

（2）各介質(zhì)間放熱方式的確定

有了傳熱模型與上述汽化整個過程三個區(qū)段劃分方式后，需要按照實際的傳熱過程進(jìn)行具體的三個區(qū)段分段計算。無論是哪一個段，熱量總是從高溫側(cè)管外流動熱水側(cè)通過管間壁傳遞給低溫側(cè)管內(nèi)流動低溫液體側(cè)，熱流方向都是一致的。

圖2為各區(qū)段高溫?zé)崴畟?cè)至低溫流體側(cè)熱量傳遞示意圖。

圖2 熱水側(cè)至低溫流體側(cè)熱量傳遞示意圖

由圖2可以看出，一般認(rèn)為由管外流體至管內(nèi)流體的傳熱過程可分為三個串聯(lián)環(huán)節(jié)進(jìn)行。首先是熱量由水側(cè)對管外壁的對流放熱過程（管外壁溫度降至tw2），然后是熱量由管外壁對管內(nèi)壁的熱傳導(dǎo)過程（管內(nèi)壁溫度降至tw3），最后是熱量由管內(nèi)壁對低溫流體的對流放熱過程（圖3適用過冷區(qū)段、沸騰區(qū)段及過熱區(qū)段）。需要特別值得注意的是，往往在過冷區(qū)段（及沸騰區(qū)段）進(jìn)行三個串聯(lián)環(huán)節(jié)傳熱學(xué)計算及熱流平衡計算時，會得到管外壁溫度可能會出現(xiàn)低于0℃的情況，這與液態(tài)水的客觀物性不相吻合，這時管外壁外側(cè)一定存在一層冰層以熱傳導(dǎo)方式存在的熱傳遞過程，即在過冷區(qū)段（及沸騰區(qū)段）需分四個串聯(lián)環(huán)節(jié)進(jìn)行傳熱學(xué)熱平衡計算。冰層外壁與水接觸面的溫度tw1=0℃（冰、水共存），冰層內(nèi)壁溫度即管外壁同處某低于0℃的溫度tw2。在水浴式汽化器實際運(yùn)行過程中，也確實有冰層的存在，具體表現(xiàn)在低溫液體入口端盤管外徑會出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，并沿著換熱管的長度方向逐漸減薄直至消失。附帶說明的是，傳熱學(xué)理論計算表明，水在盤管管間流速愈大，則結(jié)冰層愈薄、愈短，反之亦然。這也是汽化器結(jié)構(gòu)設(shè)計要保證水流速為設(shè)計值的原因。

（3）各段放熱系數(shù)的確定

熱量傳遞的方式主要有對流、傳導(dǎo)和熱輻射，而實際的傳熱過程往往是幾種熱量傳遞方式的共同組合作用的結(jié)果。為了方便起見，我們在理論計算時往往只考慮其中占主導(dǎo)地位的熱量傳遞方式。針對水浴式汽化器而言，主要包括有管外水側(cè)的對流放熱，管壁間的熱傳導(dǎo)以及管內(nèi)低溫流體側(cè)的對流放熱（包括沸騰放熱）。管外水側(cè)的對流又分為強(qiáng)制對流與自然對流兩種方式。對于有快速響應(yīng)要求（快速響應(yīng)要求指流量、壓力、溫度在要求時間均達(dá)到設(shè)計值，響應(yīng)時間一般要求小于30 s，最短可以做到10 s以內(nèi)）的水浴式汽化器，我們一般利用外加的循環(huán)水泵來實現(xiàn)水側(cè)的強(qiáng)制對流（提高管外管間水側(cè)流速與雷諾數(shù)Re），從而增強(qiáng)水側(cè)對流放熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)，減小總換熱面積，提高汽化速率。在進(jìn)行水側(cè)傳熱計算時，需要根據(jù)設(shè)計水流速合理選擇水側(cè)對流放熱準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式，利用恰當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算。對于管外自然對流與強(qiáng)制對流的理論計算準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式，諸多文獻(xiàn)都有詳細(xì)說明，這里不再贅述。需要值得注意的是，在采用不同試驗者在不同實驗條件下得出的準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算時，關(guān)聯(lián)式使用所規(guī)定的限定條件以及定性溫度、定性尺寸的確定等需特別留意，以免偏離關(guān)聯(lián)式的使用范圍。

對于管內(nèi)的低溫液體我們需要分區(qū)段來討論：在過冷區(qū)段與過熱區(qū)段，由于不存在相變，而且低溫液體一般都經(jīng)過加壓泵加壓，所以都可以利用管內(nèi)流體強(qiáng)制對流的準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式來計算放熱系數(shù)。同樣，對于關(guān)聯(lián)式的適用范圍（如雷諾數(shù)Re、普朗克數(shù)Pr、管長與管徑比L/d等要求）需要注意。對于管內(nèi)低溫流體的沸騰區(qū)段，由于管內(nèi)流體沸騰兩相流動換熱是一個十分復(fù)雜的過程，至今尚無公認(rèn)適用范圍廣的準(zhǔn)確計算模型。一些文獻(xiàn)中能找到的準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式都是針對性實驗所得的關(guān)聯(lián)式，且與實驗數(shù)據(jù)尚存在一定的偏差。管內(nèi)低溫流體的沸騰汽化過程可以看做是由核態(tài)沸騰與膜態(tài)沸騰共同作用的結(jié)果。膜態(tài)沸騰由于氣膜的存在使得傳熱系數(shù)迅速下降。水浴式汽化器在實際運(yùn)行過程中沸騰區(qū)的傳熱溫差往往很大，而且換熱管直徑小，我們在進(jìn)行水浴式汽化器管內(nèi)流體沸騰計算過程中往往把它當(dāng)作管內(nèi)流體的單一膜態(tài)沸騰過程。利用膜態(tài)沸騰準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式求得的結(jié)果更為保守，因而計算結(jié)果有一定的設(shè)計余量。將計算所得的沸騰放熱系數(shù)與一些文獻(xiàn)中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)量級亦吻合。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計理念

所有的理論計算都建立在特定的傳熱模型與傳熱過程基礎(chǔ)上，在水浴式汽化器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要充分考慮如何使得實物流體流路更為符合所選定的傳熱過程及傳熱模型，這也是汽化器設(shè)計成敗與否的關(guān)鍵所在。

圖3所示為某大型空分裝置配套液氧水浴式汽化器外形圖（汽化量50000 m3/h，工作壓力2.5 MPa）。

圖3 某大型空分裝置配套液氧水浴式汽化器外形圖

泵送加壓低溫液體由頂部直管引入汽化器底部環(huán)管，由環(huán)管分配入盤管自下而上經(jīng)繞管管束至上部氣體環(huán)管匯總后由頂部直管引出常溫氣體；蒸汽管由頂部引入汽化器底部噴射加熱容器底部的水；被加熱熱水從底部管口抽出經(jīng)循環(huán)水泵泵送至上部進(jìn)水口進(jìn)入汽化器，使熱水在汽化器各層繞管間自上而下流動形成循環(huán)，以上措施滿足冷、熱流體呈逆向流動且能保證盤管管間水流速，過量水（與設(shè)計蒸汽耗量相當(dāng)水量）由水側(cè)溢流口引入排水溝。

4 大型空分裝置配套水浴式汽化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

相較于國內(nèi)目前使用中的水浴式汽化器結(jié)構(gòu)，圖3所示某大型空分裝置配套水浴式汽化器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上具有以下特點(diǎn)：

（1）所有蒸汽管道、低溫液體進(jìn)口管道及氣體出口管道均布置（懸掛）在頂部，整個繞管管束可實現(xiàn)整體抽芯檢查或清潔。圖4為繞管管束結(jié)合部示意圖。

圖4 繞管管束結(jié)合部示意圖

（2）蒸汽噴射管道的優(yōu)化設(shè)計，重新核算蒸汽流速，提高小孔噴射流速及調(diào)整噴射方向，盡量減少水擊可能。同時，還可另外單獨(dú)設(shè)置低負(fù)荷熱備蒸汽管，對于低負(fù)荷下蒸汽管道的振動情況有所改善。

（3）配備大循環(huán)量的循環(huán)水泵，提高了管間水側(cè)流速，增強(qiáng)水側(cè)放熱系數(shù)；同時改進(jìn)設(shè)計頂部熱水進(jìn)水分布器結(jié)構(gòu)，保證周向進(jìn)水水流均勻分布。

（4）優(yōu)化設(shè)計繞管結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整每層繞管數(shù)量，保證汽化器內(nèi)單根繞管長度基本一致，使低溫流體盡可能均勻分配；進(jìn)一步優(yōu)化每層繞管徑向間距及軸向間距，使間距基本一致，結(jié)合大循環(huán)量熱水流動保證了盤管管間水側(cè)流速，增強(qiáng)管外水流橫掠盤管（水流向與換熱管低溫流體流向?qū)崿F(xiàn)正交）強(qiáng)制對流的放熱系數(shù)。

（5）通過提高水側(cè)放熱系數(shù)，從而增強(qiáng)總傳熱系數(shù)K，選用更經(jīng)濟(jì)的換熱面積，一方面降低了制造成本，另一方面提高了汽化器整體的啟動響應(yīng)速度。

（6）汽化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使各流體尤其是熱水循環(huán)流路更為清晰，盡可能減少或避免因非盤管區(qū)制造間隙過大造成的管間水流短路（同時結(jié)構(gòu)上非盤管區(qū)域的水盡量保持不流動狀態(tài)，防止水流走短路），使各溫區(qū)分配更為合理，更貼近采用的理想傳熱計算模型。

（7）低溫液體進(jìn)口管道在軸向可自由伸縮，防止因管道冷縮拉壞設(shè)備；盤管的彈性結(jié)構(gòu)可適應(yīng)約300℃大溫差變化引起的脹、縮位移；蒸汽管道只設(shè)頂部一個固定點(diǎn)，在底部設(shè)置徑向限位結(jié)構(gòu)，蒸汽管道在汽化器內(nèi)部可沿軸向自由伸縮，消除溫差引起的應(yīng)力，徑向限位減少振動。

（8）在汽化器下、上部分別設(shè)置水側(cè)溫度低、高聯(lián)鎖測點(diǎn)，保證汽化器的穩(wěn)定安全運(yùn)行，同時可監(jiān)測汽化器冷、熱流體進(jìn)、出溫度是否與設(shè)計值相符。

5 水浴式汽化器常見故障分析及措施

（1）振動

現(xiàn)象：水浴式汽化器投入運(yùn)行時,發(fā)出沉重的響聲和劇烈振動,嚴(yán)重的將導(dǎo)致水蒸氣接管與筒體頂蓋焊接連接處撕裂，影響汽化器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

原因：當(dāng)水蒸氣與低溫水相遇時,水蒸氣急速凝結(jié),造成局部降壓收縮,引起周圍介質(zhì)（水）高速沖擊而產(chǎn)生。水擊是引起汽化器運(yùn)行時發(fā)生異常響聲和振動的根本原因。

措施：蒸汽從蒸汽管道噴出的速度不宜過低，提高蒸汽噴射速度，及時將冷凝水從蒸汽管底部擠壓排出，減少或避免水擊現(xiàn)象的發(fā)生。大型空分裝置配套水浴式汽化器優(yōu)化了蒸汽入口管道設(shè)計，自上而下周向經(jīng)由小孔噴射蒸汽，提高蒸汽噴射速度；同時，單獨(dú)設(shè)置低負(fù)荷熱備蒸汽管道，滿足小負(fù)荷下使用要求。另外，在蒸汽管底部設(shè)置了徑向限位機(jī)構(gòu)，以上措施從結(jié)構(gòu)上消除或減小了蒸汽管道的沖擊振動可能性。

（2）腐蝕

現(xiàn)象：換熱管及部分內(nèi)件腐蝕結(jié)垢。

原因：選材不當(dāng)，容器內(nèi)的水質(zhì)不合格，蒸汽品質(zhì)差，環(huán)境中含有酸氣及長時間待機(jī)。

措施：內(nèi)件和換熱管選用合適不銹鋼或更高級材質(zhì)，首次充裝的用水及運(yùn)行中臨時補(bǔ)充水要求選用氯離子含量低的脫鹽水，蒸汽品質(zhì)亦要嚴(yán)格控制，定期置換容器中的原有儲水等。

6 總結(jié)

大型空分裝置配套水浴式汽化器的設(shè)計理念，主要是采用了更為精確地傳熱計算，并且在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時使得其結(jié)構(gòu)更加貼近理論計算模型（包括冷、熱流體流向、流速，各類放熱準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式及相關(guān)條件、數(shù)據(jù)選用等在內(nèi)），使汽化器在汽化能力與蒸汽耗量上符合設(shè)計要求，同時能夠迅速按要求的響應(yīng)速度啟動，以及更加方便快捷的操作維護(hù)方式。

為達(dá)到快速響應(yīng)的要求，在設(shè)計過程中主要體現(xiàn)在：更高效的傳熱效果（水側(cè)強(qiáng)制對流，提高盤管管間水流速，不發(fā)生水側(cè)無效短路）、更經(jīng)濟(jì)的換熱面積（結(jié)構(gòu)設(shè)計貼合理論計算模型，減少設(shè)計余量）、更合理的管間以及管內(nèi)流體流速的選取等。

另外，為真正實現(xiàn)后備系統(tǒng)汽化供氣快速響應(yīng)的目的，作為低溫液體加壓系統(tǒng)的低溫液體泵的性能必須首先要保證，并要求處于“冷備”過程中，為后備系統(tǒng)緊急供氣做好準(zhǔn)備。同樣，對于水浴式汽化器，也要求采用溫控方式來保持容器內(nèi)水溫，使蒸汽加熱處于“熱備”狀態(tài)。

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]陳叔平譯.低溫傳熱學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1982.

[3]譚天恩，竇梅.化工原理（第4版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[4]王明富.水浴式汽化器振動分析及改進(jìn)[J].深冷技術(shù)，2006，1.

The Design Concept and Structure Optim ization of W ater-Bath Vaporizer for Large Air Separator

DING Chuanqi，LI Yanpeng，WANG Bo
(China National Air Separation Plant Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310051,China)

Further optimization of the water-bath vaporizer for large air separator was discussed from the aspects of design concept including the heat transfer model,heat emission mode and selection of correlate equation,and structure design and with the objective of energy conservation and emission reduction.Through design optimization the theoretical calculation of water-bath vaporizer can be put on a firmer basis,the structure design can be more reasonable and the goal of rapid response and energy saving and emission reduction can be achieved.

water-bath vaporizer;heat transfer model;structure optimization;rapid response;energy saving and emission reduction

TB657.7

B

1006-6764(2015)02-0019-05

2014－12－01

丁傳琪（1982－），男，2005年畢業(yè)于浙江大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事空分裝置工藝設(shè)計工作。