绕管式换热器在天然气处理中的应用浅析①

王楚琦 马 颖

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司)

(2.中国石油集团测井有限公司国际事业部)

绕管式换热器是一种结构紧凑的高效换热器，具有可承受高压、换热效率高、端面换热温差小(低于2 ℃)等特点，最初主要应用于大型天然气液化工厂、空气分离装置、大化肥合成氨装置及天然气凝液回收装置等，取得了良好的换热效果。因此，近年来逐渐推广应用至天然气处理工艺。然而，该换热器应用于天然气处理工艺时出现了冻堵及换热效率低的问题，通过对绕管式换热器结构及其在天然气处理工艺中的应用情况进行分析，提出绕管式换热器在天然气处理工艺应用中的几点建议，可为绕管式换热器的发展应用和天然气处理工艺设备的选择提供一定的参考。

1 绕管式换热器的特点及维护

绕管式换热器的特殊结构使其具有高效的传热性能，但同时也带来了不易维护的问题。

1.1 绕管式换热器的特点

按传热原理划分，绕管式换热器是一种间壁式管式换热器，其结构如图1所示。绕管式换热器主要由芯筒、换热管和外筒组成，分为管程和壳程。管程空间指换热管内部空间。换热管通常采用直径为8～25 mm的小管径管材，并以螺旋线形交替缠绕在芯筒上。为了提高换热系数，每层换热管的缠绕方向均与相邻层相反，并由垫条和管卡分隔固定。壳程空间指外筒与换热管和芯筒之间形成的环形空间[1-3]，被换热管缠绕层分隔成间距仅为1～2 mm的狭小空间。管程和壳程空间的有效流通面积可通过改变换热管缠绕层数进行调整[4]。

按照绕管式换热器管程通过介质种类的数量可分为单通道绕管式换热器和多通道绕管式换热器。管程内流通为单一介质即单通道绕管式换热器；若需换热器同时对多种介质换热可采用多通道绕管式换热器，换热后的介质汇集在各自的管板上[5]。

绕管式换热器的最大特点是结构紧凑，特殊的换热管排列缠绕方式使其单位容积具有较大的传热面积，当换热管直径为8～12 mm时，其传热面积可达100～170 m2/m3[6]。绕管式换热器可承受高压介质的换热，换热管内的操作压力最高可达21.56 MPa[3]。除此之外，热膨胀能够自行补偿，可用于换热温度范围较宽的工况，其端面换热温差可达2 ℃，换热效率高。

1.2 绕管式换热器的维护

绕管式换热器采用的撬装化设计虽然方便安装但不易维护。正常情况下，其使用寿命为12～20年，由于维护不当可导致部分在役设备损坏而提前更换。从绕管式换热器损坏原因统计中可知，除垢不当是造成换热器损坏的主要原因，其几率高达50%[3]。

目前，绕管式换热器维护的主要工作是除垢，具体分为两种情况：当结垢情况不是很严重时采用高压水枪冲洗法；当堵塞严重时则采用酸清洗法。高压水枪清洗法操作相对简单，酸清洗法操作较为复杂。5%(w)HCl溶液、硝酸、氢氟酸及柠檬酸是常用的酸洗液[7]。碳钢采用HCl溶液清洗，不锈钢主要采用氢氟酸及柠檬酸清洗。在清洗换热器时应遵循多次少停留的办法，对换热器进行多达5～6次的酸洗，每次冲洗时间尽可能短，并且冲洗干净，确保残留在换热器中的Fe3+不超标[5]，酸洗液排放干净,从而避免引起腐蚀。

绕管式换热器价格昂贵，结构复杂，制造周期长，损坏后更换至少需要半年时间，将影响正常生产进度。因此，正确使用除垢清洗技术，制定合理的清洗工艺方案对换热器的使用寿命非常重要。

2 绕管式换热器在天然气处理中的应用

由于具有较高的换热系数和良好的换热效果，绕管式换热器开始应用于天然气工业。

2.1 应用情况

早期，在大型天然气液化工厂、空气分离装置、大化肥合成氨装置及天然气凝液回收装置等场所尝试使用绕管式换热器，取得了不错的换热效果[8-10]。近年来，开始逐步推广应用至天然气处理工艺中，新疆和四川等地气田的天然气处理厂中均有应用实例。轮南、吉拉克、桑南等气田的天然气处理工艺为分子筛脱水的低温深冷天然气凝液回收工艺，其凝液回收(脱烃)装置采用绕管式换热器为原料气与冷干气、凝液等介质换热；克拉美丽及玛河气田的天然气处理工艺为低温分离工艺，采用绕管式换热器作为原料气预冷器。

2.2 实例分析

绕管式换热器作为高效节能换热设备，应用于天然气处理工艺中理应达到良好的换热效果，但并非所有的实际工程应用中都能达到理想的效果。以克拉美丽天然气处理厂为例，分析绕管式换热器作为原料气预冷器在实际工程中出现的问题。克拉美丽天然气处理厂处理规模为300×104m3/d，共设有两套天然气处理装置(单套装置处理能力为150×104m3/d)。天然气处理采用注乙二醇防止水合物、节流降压的低温分离脱水脱烃工艺，其脱水脱烃单元流程如图2所示。集气站所来气、液进入生产分离器进行分离，分离出的天然气经过计量后注入乙二醇，进入原料气预冷器与冷干气换热预冷后，再次注入乙二醇降低天然气水合物生成温度，经过节流阀节流降压后进入低温分离器进行分离，分出的冷干气经过原料气预冷器后计量并调压外输。

脱水脱烃工艺单元中原料气预冷器采用绕管式换热器，运行时原料气走壳程，冷干气走管程。在2009年投产初期，装置运行效果良好。随着累计运行时间的增加，原料气预冷器开始出现冻堵，原料预冷器冻堵情况统计如表1所示。由表1可知，从2011年11月开始，原料气预冷器开始出现频繁的冻堵，严重影响天然气处理厂的正常运行。

根据脱水脱烃工艺单元的物料和能量平衡，用HYSYS模拟计算克拉美丽天然气处理厂原料气预冷器的换热性能[11]，计算结果如表2所示。由表2可知，克拉美丽天然气处理站采用的绕管式换热器换热效果不理想，热端温差较大(平均为14 ℃)，远远高于理想的2 ℃，传热系数也较低(约80 W/(m2·℃))，原料气经换热器预冷后的出口温度偏高。

绕管式换热器在克拉美丽天然气处理厂运行时出现了以下问题。

2.2.1冻堵

通过对绕管式换热器进行结构分析可知，其壳程空间由换热管缠绕层分割成许多间距只有1～2 mm的狭小空间，注入乙二醇贫液的原料气进入壳程空间后难以与乙二醇贫液继续均匀混合，易产生分离。随着气体温度的下降，将有水合物形成并从原料气中析出，从而造成冻堵。

2.2.2热端温差过大

克拉美丽天然气处理厂凝析油物性如表3所示。检修时在低温分离器丝网层上发现有一定量的蜡沉积，可以判断克拉美丽天然气处理厂的原料气中含有蜡。

在降温过程中，重组分析出并聚集在换热器底部形成液位，减小了有效换热面积，从而造成换热面积不足。原料气中的蜡沉积现象使换热管表面结垢，增大了原料气预冷器的热端温差，从而导致原料气壳程出口温度在5～6 ℃，高于壳程温度设计值-5～0 ℃，达不到应有的换热效果。

表1 原料气预冷器冻堵情况统计

表2 原料气预冷器换热性能分析

表3 凝析油物性表

3 对绕管式换热器应用的建议

传统天然气处理工艺中，原料气预冷器首选固定管板式换热器，换热效果稳定，易清洗。但作为高效换热设备，绕管式换热器若成功应用至天然气处理工艺必然更有利于节约能耗和控制烃、水露点。根据绕管式换热器和天然气处理工艺的特点，为保证处理装置的安全平稳运行，对绕管式换热器的使用提出以下建议。

3.1 根据气质条件确定换热器物流安排

绕管式换热器壳程结构复杂、不易清洗，应通过较为洁净的介质；管程承压能力较高，走高压介质可节省设备制造费用。同时，在物流安排时应结合具体的气质条件、设计及操作要求，以达到提高传热系数、方便设备维护和减小压降等目的。

3.2 严格控制原料气杂质含量

根据设计要求，绕管式换热器对通入介质的洁净度要求较高，需控制介质中的杂质含量[12]。当原料气中可能含有固体颗粒杂质时，若选用绕管式换热器，推荐在原料气入口段设置气体过滤装置，防止粗颗粒杂质进入换热器，可在一定程度上保证原料气的洁净度，避免出现换热器堵塞。

3.3 根据不同的天然气组分慎重选用

不同气田产出的天然气组分差别较大，当天然气中含有较多重组分或蜡质时，需慎重选用绕管式换热器。凝析油析出后停留在换热器内形成积液，使有效换热面积减小；蜡质析出后在层间的支撑件和换热管壁上粘附，容易造成换热管堵塞并降低传热效率。

3.4 防冻剂注入应均匀

绕管式换热器的换热管直径很小，不利于防冻剂的扩散。因此，需注意防冻剂注入装置的选择和安装。必须通过喷射试验调整注入位置使防冻剂均匀地注入换热管内，和原料气进行充分混合。

3.5 做好清洗和维护工作

绕管式换热器的损坏常因清洗不当造成，因此，清洗和维护工作十分重要。绕管式换热器清洗程序复杂，对维护工人的要求较高，应从管理方面引起重视，制定相应的操作、维护手册，并进行人员培训。

4 结 语

绕管式换热器具有结构紧凑、传热效率高的特点，但其清洗和维护工作相对复杂。在天然气处理工艺中的应用出现了初期换热效果良好，中期发生冻堵及换热效率低的情况。为保证天然气处理工艺的安全平稳运行，针对这一问题提出以下绕管式换热器的应用建议，以期最大限度地发挥绕管式换热器高效、节能的优点。

(1) 根据气质条件确定换热器物流安排。

(2) 严格控制原料气中杂质含量。

(3) 根据不同的天然气组分慎重选用。

(4) 防冻剂注入应均匀。

(5) 作好换热器的清洗和维护工作。

参考文献

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