高壓纏繞管換熱器在國內(nèi)首套國Ⅴ柴油 液相加氫裝置的應用

李義祿(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

對于加氫裝置而言，其高壓反應產(chǎn)物-原料換熱器多采用螺紋鎖緊環(huán)換熱器，但隨著設備技術的進步和發(fā)展，新型的纏繞管式換熱器為該位置換熱器設計選型提供了更多選擇，具有單位體積換熱面積大、傳熱系數(shù)高、允許操作壓力高及可實現(xiàn)多介質同時換熱等優(yōu)點，廣泛應用于液化天然氣、低溫甲醇洗、空氣分離及液氮洗裝置等低溫或深冷工段[1]。纏繞管換熱器不僅是高效、緊湊的換熱器，而且是大型化工藝過程重要的設備之一。

1 螺紋鎖緊環(huán)及纏繞管換熱器簡介

螺紋鎖緊環(huán)換熱器目前被廣泛地應用于高溫、高壓等工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在大型化加氫裝置中，應用更為廣泛。但由于國內(nèi)設計和制造的螺紋鎖緊環(huán)換熱器墊片幾乎全部采用波齒復合墊，以及設計中對內(nèi)套筒和差壓試驗的研究通常被忽略等問題，許多該型換熱器在使用一段時間后或是在開停工過程中極易出現(xiàn)殼、管程之間介質泄漏(內(nèi)漏)，且一旦泄漏再次密封較難[2]。

纏繞管式換熱器廣泛應用于大型空氣分離裝置的過冷器和液化器、液氧液氮裝置。其傳熱系數(shù)高，占地面積小，獨特的結構形式在一定程度上對其傳熱有強化作用，對于殼程，相鄰纏繞層之間相反的纏繞方式以及墊條等部件加大了殼程流體的擾動，易形成湍流；對于管程，流體在纏繞管內(nèi)的螺旋流動能夠形成二次流，使得管側膜傳熱系數(shù)提高，從而換熱系數(shù)增大，傳熱效率增加[1]?；诶p繞管換熱器的傳熱及大型化方面的優(yōu)勢，該型換熱器在中海油惠州石化煉油二期340萬t/a直餾柴油液相加氫裝置得到應用。

2 纏繞管換熱器在中海油惠州石化340萬t/a柴油液相加氫裝置上的應用

2.1 兩種換熱器的工藝計算

中海油惠州石化340萬t/a柴油加氫裝置反應進料/反應產(chǎn)物換熱器131-E-102是該裝置的關鍵設備，主要功能是利用反應產(chǎn)物的熱量來加熱反應進料，回收加氫反應過程中產(chǎn)生的熱量。該換熱器生產(chǎn)運行條件苛刻，其工藝計算結果如表1所示。

表1 兩種換熱器工藝計算

由表1可以看出在相同負荷操作條件下，纏繞管換熱器的設備重量明顯比螺紋鎖緊環(huán)換熱器小，使裝置重量減輕了37%，單位負荷金屬消耗的節(jié)能效果顯著。對于高溫高壓型換熱器，纏繞管換熱器的高效緊湊、節(jié)省材料等優(yōu)點能夠得到顯著體現(xiàn)。

2.2 換熱器工藝選型

2.2.1.節(jié)省投資及占地

由工藝選型可以看出纏繞管換熱器設備尺寸小，占地少，投資少，采用1臺纏繞管換熱器代替2臺高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器，節(jié)省投資388萬元，具體造價及占地對比如表2所示。

表2 換熱器131-E-132的占地及投資

纏繞管換熱器結構緊湊,占地面積小,節(jié)約設備用地、優(yōu)化裝置平面布置。在不考慮螺紋鎖緊環(huán)檢修空間的前提下，本案例中纏繞管換熱器的占地面積僅為螺紋鎖緊環(huán)換熱器方案的30%。小的占地面積對于裝置大型化起著至關重要的重要。

換熱器采用單框架布置，設備自應力補償，與上下游設備加熱爐及反應器鄰近布置，縮短高溫高壓管線。

2.2.2 解決螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的內(nèi)漏問題

在設備大型化之后，尤其是在裝置開工階段，由于螺紋鎖緊環(huán)式換熱器結構復雜，各部件的膨脹系數(shù)不同，其管、殼程之間極易產(chǎn)生內(nèi)漏，造成工藝介質互串，中海油惠州石化全液相柴油加氫裝置的柴油產(chǎn)品是按國Ⅴ標準設計，內(nèi)漏超過0.2 t/h，柴油產(chǎn)品硫含量將不合格。而柴油產(chǎn)品是惠州石化二期煉油項目的終端產(chǎn)品，這對于該裝置是致命的。

纏繞管式換熱器管板和殼體直接焊接，極大地減少內(nèi)漏可能。另外，管端設有一定長度的自由彎曲段使其具有很好的撓性。因此傳熱管的熱膨脹可自行進行部分補償，緩解了對管板焊接的應力影響，而管頭與管板焊縫泄漏的可能性也得到降低。

3 換熱器實際運行情況

2017年9月裝置一次開車成功，2018年9月4—7日，裝置進行了標定工作，標定期間，各項參數(shù)符合設計要求，運行平穩(wěn)，綜合性能指標良好。纏繞管換熱器運行實測溫度參數(shù)如表3所示。

表3 換熱器131-E-132運行參數(shù)

加氫裝置中螺紋鎖緊環(huán)換熱器設計熱端溫差一般不低于40 ℃，由表3可以看出，纏繞管換熱器實際運行熱端溫差只有15 ℃左右，很好地驗證了纏繞管換熱器的高效換熱優(yōu)勢。由于換熱更充分，加熱爐燃氣消耗大量減少，裝置標定能耗比國內(nèi)目前建成標定的柴油加氫裝置少，詳細如表4所示。

表4 國內(nèi)外柴油液相加氫技術比較

中海油惠州石化二期340萬t/a柴油加氫裝置與相同專利技術的液相加氫裝置相比，原料硫含量最高，柴油產(chǎn)品質量最好，能耗低。

中海油惠州石化二期340萬t/a柴油加氫裝置與其它幾套應用不同專利技術的液相加氫裝置相比，運行能耗最低，每加工1t原料可以減少0.84～2.36 kg標準油。

4 結語

(1)中海油惠州石化柴油加氫裝置采用1臺纏繞管換熱器替代2臺傳統(tǒng)高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器，降低設備投資388萬元；(2)纏繞管換熱器的使用，提高了爐前131-E-102的換熱效果，其熱端溫差只有15 ℃左右；(3)隨著石化工業(yè)裝置大型化、集約化的發(fā)展，纏繞管換熱器由于其結構緊湊、高效節(jié)能、泄漏風險低、設備綜合投資低的優(yōu)點，其在加氫裝置(尤其是在輕質油加氫裝置)代替螺紋鎖緊環(huán)換熱器將成為趨勢。