王鑫鑫

(山西潞安煤基合成油有限公司，山西 長治 046100 )

目前，一些規(guī)模較大的煤化工工廠都是將大型繞管換熱器作為低溫甲醇洗裝置的主要儀器。由于大型繞管換熱器具備超強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，而且在系統(tǒng)化裝置負(fù)荷變換的同時能夠保證良好的運行效率，進(jìn)而為低溫甲醇洗裝置提供一流的運行條件，一直被各大主流化工企業(yè)當(dāng)作大型煤化工項目低溫甲醛洗裝置的核心設(shè)備之一。自該低溫甲醛洗裝備安裝調(diào)試之后，已經(jīng)順利進(jìn)入運行優(yōu)良的狀態(tài)，這種順暢穩(wěn)定的運行狀態(tài)，使得凈化之后合成氣的質(zhì)量呈現(xiàn)向上的趨勢。為了更好地了解低溫甲醛洗裝置的運行原理，掌握其結(jié)構(gòu)特點和性能，便于保障其超穩(wěn)定、超優(yōu)良的運行狀態(tài)，特對其設(shè)計、制造等方面進(jìn)行深入剖析。

1 繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點

以西門子為代表的德國重工業(yè)始終是世界工業(yè)的代表，林德公司作為世界工業(yè)氣體的巨頭，最先開發(fā)出了繞管式熱換器，經(jīng)多次試驗之后應(yīng)用于低溫甲醇洗設(shè)備當(dāng)中。因此，繞管式熱換器是林德公司的重要專利技術(shù)，并稱雄于工業(yè)氣體多年。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)，最初的熱管式熱換器只能夠適用于低溫甲醛洗設(shè)備當(dāng)中，對于其應(yīng)用的廣度上受到了限制。該模型機(jī)進(jìn)入國內(nèi)之后不久，眾公司就進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化了其性能，并將其應(yīng)用到甲醇合成等化工工藝上，由此，實現(xiàn)了繞管式換熱器的國產(chǎn)化，并在相關(guān)的構(gòu)造設(shè)計和運行等方面積累了寶貴的經(jīng)驗。

當(dāng)下所通用的繞管式熱換器都是由換熱管以螺旋式的方式纏繞而形成管束通道，并采用Φ15×1～2、Φ18×1～2、Φ19×1～2、Φ25×1～3等規(guī)格的不銹鋼換熱管，因而，繞管式換熱器具有緊湊、高效和管殼式的典型特征。其具體表現(xiàn)如下：第一，結(jié)構(gòu)整體呈緊湊型。原因在于換熱管的曲線纏繞設(shè)計，解決了熱力膨脹的難題；第二，雙軌并行。由單股物流和多股物流同時并行的管程設(shè)計，能夠適應(yīng)高壓性能下的物流傳熱，同時也能夠帶來多個普通管殼式換熱器同時工作所產(chǎn)生的良好效果；第三，管線導(dǎo)熱性能良好，傳熱效率高，能夠滿足超負(fù)荷物流傳熱的要求；第四，由于管殼的纏繞設(shè)計，其清洗的過程較為繁瑣，普通清洗的效果也并不理想。

為更直觀地展示單股和雙股流繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)，分別將其列展如圖1、第137頁圖2。

圖1 單股流繞管式換熱器

由圖1、圖2可知，無論是單股還是多股繞管式換熱器，其整體構(gòu)造中起到核心支撐作用的仍然是中心管，而繞管管束的內(nèi)在結(jié)構(gòu)尺寸則決定了整個換熱器的外在大小。一般而言，換熱管是由隔層反向螺旋型纏繞的方式組成繞管管束；所謂的隔層反向指的是每相鄰的兩個層級管束之間其旋轉(zhuǎn)的方向正好相反，這種設(shè)計能夠最大限度地節(jié)省空間，提高單位空間內(nèi)的管道流速，增強(qiáng)承壓性能，增大散熱面積。并且，為防止熱膨脹對管束造成破壞，影響使用壽命，每一層換熱管之間會有專用隔條進(jìn)行分割；同一層的換熱管內(nèi)徑以及長度必須完全一致，均勻散布在所纏繞的中心管上。與其相比，管程多股物流的管長在每個通道中也是一致的，但是由于其工藝的差別，在選擇不同通道管長的時候也可以不同，這就極大提高了多股物流傳導(dǎo)的便宜性、高效性、靈活性和適應(yīng)性。

圖2 多股流繞管式換熱器

2 煤化工項目中繞管式換熱器的設(shè)計參數(shù)

在煤化工項目當(dāng)中，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的繞管式熱換器的代表是神華集團(tuán)股份有限公司主導(dǎo)設(shè)計并投資建設(shè)的神華內(nèi)蒙古某煤化工項目和神華新疆某煤化工項目。這兩個項目分別于2010年和2016年建成并投入使用，其利用煤炭生產(chǎn)甲醛的設(shè)備規(guī)模均為180萬t/a，生產(chǎn)工藝類似，均采用低溫甲醛洗、一氧化碳變換、加壓氣化水煤漿以及甲醛合成等工藝流程。其生產(chǎn)的甲醛性能均為MTO級。兩個繞管式換熱器的區(qū)別在于其產(chǎn)量和品質(zhì)上，內(nèi)蒙古煤化項目每年生產(chǎn)聚乙烯30萬t、聚丙烯30萬t，而新疆煤化工項目每年可生產(chǎn)聚乙烯27萬t、聚丙烯45萬t，且后者生產(chǎn)的聚乙烯為高壓聚乙烯，整體性能要優(yōu)于前者。在技術(shù)設(shè)計層面上，內(nèi)蒙古煤化工項目適用的是來自德國林德公司生產(chǎn)的低溫甲醇洗設(shè)備，該設(shè)備有兩個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)各有5臺繞管式換熱器同時運行。神華內(nèi)蒙煤化項目的低溫甲醛洗設(shè)備繞管式換熱器的參數(shù)見表1～表2。

原料氣冷卻器Ⅰ(E107)為多股流式換熱器，其結(jié)構(gòu)形式見圖2，其使用的是耳式支座的支撐樣式，換熱管和管板的材料分別是S32168型和S30408型，殼體材料同管板；管板間距、直徑以及換熱面積分別為7 630 mm、2 570 mm、1 880 m2。圖1所展示的是原料氣冷卻器Ⅱ(E102)的繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)圖，該繞管式換熱器是單股繞管式換熱器，在支座支撐、殼體和管板材料同多股流式相同，換熱材料采用的是S30403，且其換熱面積、直徑、管板間距均遠(yuǎn)大于多股流式換熱器。

表1 原料氣冷卻器Ⅰ&Ⅱ設(shè)計參數(shù)

表2 循環(huán)甲醇冷卻器和甲醇換熱器Ⅰ&Ⅱ設(shè)計參數(shù)

同原料氣冷卻機(jī)類似，循環(huán)甲醇冷卻器(E106)大多數(shù)也是采用多股流繞管式換熱器，圖2所展示的是其架構(gòu)組成的解剖圖。其在支撐方式上仍然采用了耳式支座支撐，且整體為立式結(jié)構(gòu)，管板的使用材料是S30408，其間距為8 600 mm，在材質(zhì)上，殼體和換熱管與管板相同；在換熱面積上同原料氣冷卻機(jī)基本一致，但是其直徑范圍要略大，約為2 600 mm。

甲醇換熱器Ⅰ(E107)為多股流繞管式換熱器，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，換熱面積約為1 610 m2，直徑約為1 700 mm，管板間距約為8 190 mm，殼體、管板和換熱管材料均為S30408，立式，采用耳式支座支撐。

甲醇換熱器Ⅱ(E109)為單股流繞管式換熱器，其結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，換熱面積約為2 715 m2，直徑約為1 700 mm，管板間距約為12 500 mm，換熱管材料為S30403，殼體和管板材料均為S30408，立式，采用耳式支座支撐。

在上述5臺繞管式換熱器中，循環(huán)甲醇冷卻器、甲醇換熱器Ⅰ和Ⅱ，都是工作時能夠承受5.0 MPa級以上的壓力，屬于高壓介質(zhì)；三者的殼程在工作時所能夠承受的壓力不高，低于1.6MPa，均屬于低壓介質(zhì)。

原料氣冷卻器Ⅰ的管程為高壓介質(zhì)(合成氣)和低壓介質(zhì)(CO2產(chǎn)品氣)，原料氣冷卻器Ⅱ的管程為低壓介質(zhì)(尾氣)。原料氣冷卻器Ⅰ和原料氣冷卻器Ⅱ的殼程均為高壓介質(zhì)(變換氣)。林德低溫甲醇洗變換氣冷卻工藝流程，詳見圖3。

圖3 林德低溫甲醇洗變換氣冷卻工藝流程

在生產(chǎn)過程當(dāng)中，將約占?xì)怏w總量四分之三的甲醛加入混合式氣體中(該混合氣體指的是低溫甲醛循環(huán)氣與變換氣的混合)，在高達(dá)5.5 MPa壓力和接近40 ℃水溫中的變換裝置中的變換氣發(fā)生水合反應(yīng)和水分子結(jié)冰現(xiàn)象。其工藝原理是添加的甲醛與二氧化碳的產(chǎn)品氣合成氣冷卻，這一過程發(fā)生在原料氣冷卻機(jī)器Ⅰ的殼程當(dāng)中，而剩余的氣體會在原料氣冷卻機(jī)器Ⅱ的殼程中被尾氣冷卻，并經(jīng)冷卻匯合之后進(jìn)入分離器。

在成品制造的過程中，工程人員進(jìn)行了大量的實驗研討，力求減少換熱面積，增大直徑，加快流速，減少設(shè)備的投資成本。實踐證明，該工藝的優(yōu)化，完全實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。其詳細(xì)更換流程見圖4。

圖4 管、殼程介質(zhì)互換后變換氣冷卻工藝流程

3 設(shè)備設(shè)計、制造和運行質(zhì)量控制要點

3.1 繞管式換熱器設(shè)計

盡管繞管式換熱器開發(fā)設(shè)計時間較長，但是在國內(nèi)能夠掌握設(shè)計和制造能力的公司屈指可數(shù)。原因在于，無論是在國內(nèi)還是國外，作為一種熱交換器的新型設(shè)備，其設(shè)計和制造標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。其難點在于對包括管箱和殼體在內(nèi)的主要受壓部件在進(jìn)行設(shè)計的時候參考標(biāo)準(zhǔn)選擇存在困難，大多數(shù)情況下所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是《熱交換器》、《壓力容器》和《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，使用的計算方式為SW6(管板采用的是應(yīng)力分析法)。繞管式換熱器的綜合性能受到多種因素的影響，要實現(xiàn)其高性能和穩(wěn)定運行，需要管束的圓度適宜，以保證流體傳輸?shù)膭蚍Q，提高傳熱導(dǎo)熱效果和效率，保證壓力的穩(wěn)定值；管束的繞制也要恰到好處，因為中心管會承載包括自身重量和繞管拉力在內(nèi)的雙重壓力；此外，需要保證的是中心管和管板的硬度與強(qiáng)度[2]。

所以，在中心管的模型機(jī)設(shè)計當(dāng)中，需要充分考慮管束的支撐能力，以及繞管機(jī)的拉力和轉(zhuǎn)速；管束的外形需要保持一定的范圍，拒絕超出偏差，并且，在其繞管曲度方面需要限制，以達(dá)到中心管的硬度和強(qiáng)度的制造標(biāo)準(zhǔn)。對于繞管式換熱器的管板受力而言，其要高于固定管扳換熱器的壓力，低于U型管換熱器的承受壓力。其之所以能夠承受高強(qiáng)度壓力的原因在于繞管管束自身具有良好的彈性，能夠支援管板的支撐，分擔(dān)殼體的內(nèi)部伸縮所產(chǎn)生的膨脹熱力和約束力。由于管束的硬度，在遇到熱力膨脹的時候繞管束的支撐力和約束力就展現(xiàn)出來了，但是這一點卻在繞管式換熱器的相關(guān)計算當(dāng)中被忽略，這明顯不符合工業(yè)設(shè)計的精準(zhǔn)性規(guī)范，但是從實用性的角度來講，又比較符合預(yù)留原則的要求，因此，也只能稱其過于保守。

神華新疆某煤化工項目原料氣冷卻器Ⅰ(E1001)管板采用應(yīng)力分析法進(jìn)行設(shè)計。圖5所示為下管板應(yīng)力總體分布云圖，圖6所示為下管板布管區(qū)及周邊應(yīng)力分布云圖，其應(yīng)力評定情況如下表4所示。

圖5 E1001應(yīng)力總體分布云圖

圖6 E1001管板布管區(qū)及周邊應(yīng)力分布云圖

位置應(yīng)力強(qiáng)度及其組合應(yīng)力強(qiáng)度計算值/MPa應(yīng)力強(qiáng)度許用值/MPa評定結(jié)果1一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度73.851.5Sm=175.5合格1一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度312.013Sm=351合格2一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度14.351.5Sm=175.5合格2一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度179.793Sm=351合格3一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度8.78Sm=117合格3最大彎曲應(yīng)力103.51.5Sm=175.5合格

3.2 繞管式換熱器的制造

繞管式換熱器制造質(zhì)量保證主要包括以下幾個方面：一是關(guān)于換熱管束的繞制技術(shù)；二是關(guān)于管板和換熱管連接技術(shù)；三是關(guān)于穿管束技術(shù)；四是關(guān)于繞管式換熱器運行技術(shù)。

3.2.1 換熱管束的繞制

設(shè)備制造成功與否的核心與關(guān)鍵在于換熱管束繞制，對于該技術(shù)需要做到以下幾個方面：其一，對于傳熱性能的保障問題，解決該問題需要保證流體的正確流向，防止出現(xiàn)偏差；并且內(nèi)外管的間距保持一致，且每相鄰的換熱管之間的軸向管間距應(yīng)當(dāng)與內(nèi)外管間距相同。其二，對于保障傳熱效果的問題。換熱管在制造繞制以及彎曲的過程中需要呈現(xiàn)一定的弧度，保持順暢，防止直線彎折，這就要求多次彎折中每一次都必須嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以防止內(nèi)應(yīng)力超標(biāo)。其三，對于纏繞角度的問題?？蛇m用規(guī)格相同的換熱管和隔條的方式來解決。其四，引導(dǎo)流向的問題。由于管程不同，需要引導(dǎo)至應(yīng)管板區(qū)作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3.2.2 管板和換熱管連接

管板和換熱管的連接方式?jīng)Q定著設(shè)備整體的穩(wěn)定性，因此，在設(shè)計結(jié)構(gòu)以及施工方面有著具體的要求。通常而言，常用的液壓脹的貼脹方式，這種方式是業(yè)內(nèi)高強(qiáng)度焊接外加貼脹的經(jīng)典應(yīng)用，其在工藝順序上也有著講究，即先用高強(qiáng)度焊接后用貼脹，且為了保障換熱管不被劃傷，管板孔的內(nèi)邊緣應(yīng)當(dāng)是倒角。在焊接的過程中要做好以下幾個方面：第一，關(guān)于焊接前的準(zhǔn)備。要對管控內(nèi)進(jìn)行高度清潔，尤其注意清理其油污和其他雜質(zhì)，所選擇的換熱管需有金屬光澤，長度與管板厚度的比例為2:1。第二，對于貼張的前置問題。管接頭在進(jìn)行正式焊接的時候，需要先進(jìn)行定位輕脹，并且需要確保換熱管的長度要長于管板，換熱管和管控實現(xiàn)對中密接。第三，關(guān)于焊接工藝。這里主要指采用哪一種焊接方式的問題，為安全考慮，通用的焊接方式為自動氬弧焊接，且采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。第四，關(guān)于檢驗的問題。檢驗的地方包括焊接頭的焊縫的外觀檢測以及100%PT檢測，此外，對脹度的把控范圍是在1.5%～3.0%。

3.2.3 穿管束

繞管式換熱器的殼體也需要高強(qiáng)的硬度，其在直線度、最小壁厚度、殼體橢圓度需要分別達(dá)到《熱交換器》、《熱交換器》、《壓力容器》的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

此外，對穿管束的工藝而言，還需要做好以下幾點：一是要防止殼體變形。原因在于，繞管式換熱器的管束自身負(fù)重較大，一旦出現(xiàn)管程壓力值上升的情況，對于殼程壓力承受力低的換熱器而言，需要殼體擁有足夠的硬度(剛度)。二是穿管束的阻力問題。解決該問題需要架設(shè)支撐裝置于管束前端，以減輕由于繞管式換熱器不設(shè)置滑倒所帶來的穿管束阻力。

3.3 繞管式換熱器運行

從神華集團(tuán)的兩個項目來看，整體而言運行良好，但是也曾經(jīng)出現(xiàn)過2次貧甲醇泵聯(lián)鎖停車事故。為避免更大的事故，保障其穩(wěn)定運行，對相關(guān)的工藝研究之后進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，優(yōu)化的內(nèi)容主要包括以下幾點：第一，出現(xiàn)類似情況的時候要及時切斷變換氣，防止因結(jié)冰凍壞換熱器。第二，設(shè)置過濾器，防止煤灰進(jìn)入甲醛裝置，堵塞管束，影響換熱效果。

4 結(jié)束語

繞管式換熱器在經(jīng)過理論和實踐上的工藝改進(jìn)之后，已經(jīng)日趨成熟。其良好的運行狀態(tài)為煤化工行業(yè)的相關(guān)應(yīng)用提供了前提與可能。伴隨著工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，相信繞管式換熱器必定能夠在其他的化工行業(yè)中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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