换热器的配管设计

刘敏，王永亮，程宇（安徽省化工设计院，安徽合肥230009）



换热器的配管设计

刘敏，王永亮，程宇
（安徽省化工设计院，安徽合肥230009）

摘要：换热器是化工生产中确保工艺介质达到特定温度及提高能源利用率的主要设备。简述了换热器的主要用途及选用原则，介绍了换热器的配管设计要求及注意事项，对立式、卧式和釜式三种再沸器的配管设计进行了阐述。

关键词：换热器；再沸器；管道布置

为满足化工生产流程的要求，需进行各种不同方式热量转换的设计，如加热、冷却、蒸发及冷凝等。换热器是用来实现上述热量交换与传递的主要设备。通过换热器的热交换，热量从温度较高的流体传至温度较低的流体，使流体温度达到工艺流程规定的范围，以满足工艺条件的需求。

换热器是化工、炼油、食品、轻工、航空、动力、原子能、制药等工业部门大批量选用的一种通用设备。在化工企业中，换热器的投资占总投资额的15％左右；在炼油企业中，换热器的投资额约占总投资额的35％～40％。

1　换热器的选用原则

换热器的选用原则可归纳为以下几个部分[1]：

（1）选定的换热器需要满足工艺过程控制的需求，流体经过换热器换热以后需要达到工艺参数的要求后进入下一工艺过程。

（2）换热器能在选定的工程环境中正常工作，能抵抗不良的工作环境及工艺介质的腐蚀，具备合理的抗结垢能力。

（3）换热器应选择维修简单、清理方便，对易腐蚀、强振动等易损耗元件的更换方便，还应满足工程现场场地大小的需求。

（4）换热器的选用还应考虑到设备的加工成本、结构型式等。

目前换热器应用较广的是管壳式换热器。虽然管壳式换热器在结构的紧凑性、传热强度及单位传热面的金属消耗量等方面无法与板式或板翅式等紧凑式的换热器相比拟，但是管壳式换热器的操作温度、操作压力范围比较大，制造成本较低，清洗相对简单方便，处理量大，工作的可靠性高。另外，管壳式换热器已在设计和加工制造方面积累很多的经验，建立相当完善的程序文件、可靠的设计及制造标准等，还可定制工艺设计需要的材料及尺寸，因此成为设计者的首选。

2　换热器的配管设计[2　-4　]

（1）换热器的管道布置必须满足PID（piping and instrument flowdiagram）的要求，同时综合考虑管系的柔性和经济性。在考虑管道布置时，大直径和合金钢管应首先考虑管道尺寸最短、弯头最少（指在热应力允许的范围内）。

（2）换热器的管道布置还应便于操作及维修，不应妨碍操作及检修通道。阀门及调节阀组管道应靠近换热器的操作通道布置，调节阀组与设备平行布置，如图1所示。

（3）换热器旁管道上的温度计、压力表、视镜、阀门、液位计及液面调节器等需靠近检修通道布置，便于操作和观察。管道、阀门、仪表（包括调节阀的膜头）等与换热器的法兰、筒体（包括底座或保温层）间需要留有充足的操作空间，净距不小于150mm。

（4）管道不得布置在换热器的抽管检修区域内，不应妨碍设备内部的管束或是内管的抽出，管道及支架不应布置在管束的长度加1.5m的范围内（从管板算起）。抽出管束范围上部布置管道时，不应妨碍起运设备的操作，如图2所示。管道布置不应影响管箱及封头端的拆卸。在管箱的上方或下方布置的管道，为方便管箱端的拆卸，需要设计带可拆卸法兰的短管，不可拆卸部分的管道设永久性支架，如图3和图4。

（5）换热器封头端或管箱端有拆卸吊柱时，布置管道应避开吊柱活动范围，如图5。

（6）在换热器壳体吊出检修区域内，其轴线的正上方不得布置管道。

（7）高温管道的配管形状还应考虑到有足够的热补偿能力，设置固定支架机导向支架，管道的反作用力不可集中在换热器的管口上。此段管道必需经过应力分析以后才能确定最终的配管方案。

（8）换热器的管道布置还应该考虑到合理的支架，不能够使管道、阀门及管件的重量都附加在设备的管口上。设备管口的受力不应该超过管口的允许值。

（9）2台或2台以上并联操作的换热器的入口管道宜对称布置，气液两相流的管道必须对称布置，以保证均匀地达到工艺设计的传热效果。另外，在分支前的主管上还应设置指定长度的直管段，实现热量的等量分配，如图6所示。

（10）布置气液两相流的管道应使管道走向尽量短，不得存在液袋，管道支架还应该防止管道的振动。

（11）单相流体进入并联的换热器，且没有任何调节手段时，进出口的主管不得变径，如图7所示。

（12）两相流体进入并联换热器，且没有任何调节手段时，主管与分支管上下连接时，分支管不应变径，即分支管与主管管径相同，如图8所示。

（13）换热器的冷却水管的管径≤DN150时，宜采取直接与地下总水管垂直连接；管径≥DN200的冷却水管，不得与总管直接连接，宜配置两个90°的弯头，弯头间的水平管段上应安装阀门，如图9所示。

（14）应根据管道布置来确定换热器的管口方位。为降低换热器的安装高度或方便接管，可以使用切线管口或弯管，但管口形式均应便于流体的流动。

（15）换热器管程及壳程的下部管口与其它管道或是阀门相连接时，需在管道最低点设置排液阀（若规定不宜设低点排液阀的管道除外）。当阀门装在设备管口下方的垂直管段上时，设备管口与阀门间的管段上应设置供设备排净的排液阀，排液阀尺寸一般选为DN20，如图10所示。

（16）检修时需要抽出内管的套管换热器，配管应设置配对的可拆卸法兰，并应考虑操作和维修时拆卸法兰和紧固螺栓拆卸的空间。

3　再沸器的配管

（1）再沸器按结构可分为立式、卧式和釜式三种。再沸器进出口管道的特点：温度高、流速快、管径大。管道布置应考虑安装、检修及操作所必需的空间。管道应尽量短、少拐弯、降低阻力等，在热应力允许范围内尽量简化管道。

（2）立式再沸器的配管要求

①支撑在塔体上的立式再沸器的工艺介质的出口管道与塔管口对接时，中间不应再添加直管段。若仪表必须安装设备管口上时，管口方位图应在设计前期就能够确定。当再沸器支撑在独立构架上时，其出口管口与返塔管口之间需要添加一段直管段。再沸器的支架宜设置弹簧支座，还需要经应力计算后最终确定弹簧支座形式。

②再沸器的长径比（L/D）大于6时，再沸器应设置导向支架。

③蒸汽调节阀组、疏水阀组宜设置在再沸器的两侧，留出一定操作和检修空间。

（3）卧式再沸器的配管要求

①当卧式再沸器安装在地面上时，宜与管廊成90°布置，减少占地，且能使检修和抽出管束方便，再沸器的安装高度还必须满足工艺的需求，最低安装高度需满足蒸汽调节阀和疏水阀组的安装要求。当须提高再沸器安装高度时，应设独立构架，使其操作平台与塔平台相连通。

②对于满足应力分析条件下的再沸器工艺介质的进出口管道，宜采用直管与塔体连接，尽量减少管道长度。若应力分析必须通过增加管道长度来解决热补偿时，可采用侧面塔管口的配管形式，如图11所示。

③塔与再沸器间的管道，当管底净空2.2m时，宜在塔与再沸器间留出约1m宽的人行通道。若塔和再沸器间的管道标高比较低，且无法满足人通行时，在符合热应力条件下，再沸器尽可能靠近塔体布置。

④再沸器有2个升气管口时，为使其管内的流量均匀，升气管道应对称布置。若实在不能满足对称布置时，应尽量使这两根管道的阻力降保持一致。

⑤若再沸器管程加热介质的进口管道上装有调节阀组时，阀组宜布置在再沸器管程进口附近的地面或操作平台上。

⑥再沸器抽出管的液体为饱和液体时，如因管道系统产生压力降，液体产生闪蒸，引发气液的两相流，影响控制及测量仪表的操作精度。因此，考虑管道布置时，应尽量降低其压力降，且在测量仪表或调节阀的上游不能装有垂直上升的管段，如图12所示。

（4）釜式再沸器的配管要求

①蒸汽管道的调节阀组和工艺管道的调节阀组一般布置在釜式再沸器的两侧。

②液位计和液位控制阀毗邻配置，便于利用控制阀的旁通阀进行手工调节液位。

③当液位计安装高度超出正常操作范围时，需为操作仪表设置平台或爬梯。再沸器的管束抽出端需要留出抽管区域，如图13所示。

④釜式再沸器的固定架位置取决于它与塔之间的相对位置，一般选择靠近塔中心线的再沸器支架为固定架。再沸器底部标高尽可能与塔底封头切线的标高接近，以减少调节再沸器与塔之间垂直管段膨胀所需的管道长度。所有前提是再沸器的安装高度在满足PID的要求下（由塔和釜式再沸器液面间的相对高度决定），其布置如图14所示。

4　结束语

换热器是化工生产中的重要设备之一，正常运行的换热器是保证化工企业正常生产的前提条件。规范合理的配管设计是保证换热器正常运行，延长其使用寿命，提高其换热效率的基础条件。化工设计过程中要根据换热器类型、换热条件等因素合理进行配管设计，最终保证工艺介质达到指定的工艺温度，充分提高能源利用率，降低整个装置的建设费用，保证生产的安全运行。

参考文献

[1]中国石化集团上海工程有限公司.石油化工设备设计选用手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]化工装置配管布置设计规定HG/T20549- 1998.北京：国家石油和化学工业局，1999.

[3]石油化工金属管道布置设计规范SH 3012- 2011.北京：中国石化工程建设公司，2011.

[4]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册[M].北京：化学工业出版社，2009.□

Piping Design of Heat Exchangers

LIU Min，WANG Yong-liang，CHENG Yu
（Anhui Design Institute of Chemical Industry，Hefei 230009，China）

Abstract:Heat exchangers are the main equipment for heating or cooling working fluids and improving the efficiency of energyutilization in chemical industry. This paper introduced the applications and selection principles ofheat exchangers. The piping design of heat exchangers and its points for attention were then described in detail. In the end，the piping design of reboilers was discussed，includingvertical，horizontal and kettle- type reboilers.

Key words:heat exchanger；reboiler；pipingdesign

作者简介：刘敏（1980-），女，工程师，从事化工工艺设计工作，13866196154，lium@ahshgsjy.com。

收稿日期：2015- 10- 12

中图分类号：TQ051.5

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2016）02- 0080- 06

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.025