纏繞管換熱器在重整裝置中的應用

章 磊

（中石油云南石化公司有限公司，云南 昆明 653000）

連續(xù)重整裝置生產高辛烷值汽油，還為芳烴裝置和乙烯裝置提供原料，同時副產出大量氫氣，是大型煉化企業(yè)中不可或缺的裝置，因此連續(xù)重整裝置的穩(wěn)定運行對于企業(yè)的經濟效益影響較大。

中石油某石化企業(yè)連續(xù)重整裝置設計規(guī)模為240 Mt·a-1，重整進料換熱器采用國產全焊接板式換熱器，裝置開車1年左右發(fā)現(xiàn)板換泄漏，檢修后仍然存在較大泄漏，公司決定將原有的板式換熱器更換為纏繞管換熱器，經過兩年多的運行，裝置蒸汽和燃料氣能耗降低。

1 纏繞管換熱器介紹

1.1 纏繞管換熱器結構

纏繞管換熱器由芯體、下管箱、上管箱和殼體組成（圖1）。下管箱有循環(huán)氫入口、進料口、氣體分布板和液體分布管，管束由中心筒、換熱管、墊條及管卡等組成。

圖1 纏繞管換熱器結構

1.2 纏繞管換熱器特點

纏纏繞管換熱器的芯體由若干層換熱管組成，相鄰層的換熱管纏繞方向相反（圖2），這種結構能極大地改善了流體流動狀態(tài)，形成了劇烈的湍流。換熱管內螺旋流動強化了管程傳熱；殼程折流部件的擾動也起到了強化傳熱的作用，提高了傳熱系數(shù)，使得換熱器的換熱效率得以提高。

圖2 纏繞管換熱器換熱管

芯體由換熱管和墊條、管卡組成（圖3），通過優(yōu)化設置，使殼程流體橫向交叉通過換熱管層，殼程流體方向與管程流體方向相逆，殼程流體形成劇烈湍流，保證了殼程流體分布均勻，同時殼程結構不存在死區(qū)，減少了殼程結垢的概率。

圖3 換熱管和墊條

采用的超長換熱管螺旋纏繞管束，兩端均有自由段，實現(xiàn)了熱膨脹自行補償，大大減少了換熱器殼體與管束之間因熱膨脹差而產生的熱應力，根據(jù)有限元分析數(shù)據(jù)可以得出纏繞管換熱器應力集中在兩端管板處，纏繞管換熱器制造商一般會在換熱器管板處堆焊不銹鋼用于提高強度，以減少應力對設備的損傷。

2 纏繞管換熱器的應用

2.1 纏繞管換熱器與板式換熱器對比

對多家繞管換熱器用戶單位調研總結，與板式換熱器相比纏繞管換熱器除了能滿足工藝要求的高效和低壓降外，還解決了板式換熱器對工況波動耐受性差、易發(fā)生內漏、清洗維護困難等問題。纏繞管換熱器同時具備較強的自清潔能力，積垢傾向更小，更利于裝置的長周期運行。最終確定選擇更換纏繞管換熱器。

2.1 重整進料換熱器更換

新?lián)Q的設備要滿足原設備運行參數(shù)（表1）。

表1 2.4 Mt·a-1重整裝置進出料換熱器設計數(shù)據(jù)

新設備各接口盡量與原設備接口位置一致，盡可能少的變更現(xiàn)有配管（圖4）。

圖4 纏繞管換熱器管口圖

1）裙座基礎標高及地腳螺栓安裝連接尺寸與原設備一致，需利用現(xiàn)有的設備基礎；

2）管口B、C、D管口方位與原設備一致，管口A與原設備外部管道方位一致。

3）管口B、C、D的標高（即與裙座基礎垂直方向之間的距離）與原設備一致，管口A的標高比原設備外部管道水平段高約1米。管口C、D外伸長度與原設備一致。

4）各管口管道力、力矩不低于原設備。

5）新的繞管換熱器設計須充分考慮現(xiàn)場安裝條件，保證設備安裝過程中無需拆除構建的主體結構。

6）新設備充水后總重量不超過原設備充水后總重量。

7）考慮換熱器的檢查，設計方在殼程出口D、管程進油口E外部管道加設可拆短節(jié)。

2.2 纏繞管換熱器運行效果

重整進料換熱器更換為纏繞管換熱器后運行數(shù)據(jù)關鍵指標變化較為明顯，重整進料換熱器更換前后壓差運行數(shù)據(jù)對比分析（表2）。

表2 重整進料換熱器E-0203運行數(shù)據(jù)表

通過表6實際運行數(shù)據(jù)，纏繞管換熱器與板式換熱器運行分析對比如下：

重整反應系統(tǒng)循環(huán)氫流量降低，反應壓力也隨之降低，再加上纏繞管換熱器管殼程壓降均比板式換熱器板殼程檢修前后壓降低，比板式換熱器正常使用期間平均壓降低80 kPa，充分體現(xiàn)纏繞管換熱器結構優(yōu)點。低壓降的重整進料換熱器可以降低重整循環(huán)氫壓縮機的功率，纏繞管換熱器投用后的循環(huán)氫壓縮機透平3.5 MPa蒸汽用量減少明顯，節(jié)能效果非?？捎^，同時可以消除在今后重整提負荷過程系統(tǒng)壓降高的瓶頸。

纏繞管換熱器熱端溫差比板式換熱器投用初期高6 ℃，比更換前的板式低53 ℃。按照正常工況重整未滿負荷運行，進料換熱器熱端溫差一般在20～30 ℃。板式換熱器投用初期換熱效果明顯，一方面是首次投料試車加工負荷低，另一方面板式換熱器換熱效率高，設計負荷存在余量。纏繞管換熱器為替換板式換熱器設計，在裝置83%負荷運行，熱端溫差穩(wěn)定在23 ℃以內，達到預期更換效果。

2.3 經濟效益核算

纏繞管換熱器投用后，因換熱器管殼程總壓降小于70 kPa，遠低于板式換熱器投用期間板殼程平均總壓降150 kPa，總系統(tǒng)壓降隨之降低，循環(huán)氫壓縮機出口壓力發(fā)生明顯變化，中壓蒸汽單耗降低；因換熱效果比板式換熱器更換前好，燃料氣單耗也有明顯降低。裝置綜合能耗對比分析見表3內容。

表3 重整能耗對比分析

從表7數(shù)據(jù)可以看出，更換纏繞管換熱器后能耗變化情況：

1）纏繞管換熱器換熱效果達到預期，加熱爐操作條件優(yōu)化等綜合因素影響，繞管換熱器投用后，重整單元燃料氣單耗降到新低，比板式換熱器正常運行期間最好指標低近2 kg·Eo·t-1；

2）因纏繞管換熱器管殼程總壓降降低，反應系統(tǒng)總壓降減少，循環(huán)氫壓縮機K-0201中壓蒸汽用量明顯減少，中壓蒸汽單耗比板式換熱器正常運行期間下降近8 kg·Eo·t-1；

3）裝置綜合能耗總體下降接近5 kg·Eo·t-1。

4)與同期板換新投用時對比，纏繞管換熱器因管殼程壓差下降，重整循環(huán)機K-0201中壓蒸汽節(jié)約平均用量15 t·h-1。

3 結語

某石化公司2.4 Mt·a-1連續(xù)重整裝置混合進料換熱器更換為纏纏繞管換熱器，投用兩年半時間，整體運行良好，能適應較大的生產波動。與改造前相比，纏纏繞管換熱器性能更為優(yōu)異，為重整裝置的節(jié)能降耗做出了突出貢獻。