换热器的布置原则及案例分析

荣守朋

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

在化工、石油等装置中，换热设备是普遍应用的典型设备，是工艺传热过程的关键设备，合理设计和布置换热器对化工企业尤为重要；但有时两台卧式换热器直连(管口对管口，中间无管道)时，容易忽略设备本身的热应力。

1 换热器设备布置原则[1]

(1)与分馏塔关联的管壳式换热设备，如塔底重沸器，塔顶冷凝冷却器等。宜按工艺流程顺序布置在分馏塔的附近。

(2)两种物料进行热交换的换热器，宜布置在两种物料进出口相连的管道最近的位置。

(3)一种物料与几种不同物料进行换热的管壳式换热器，应成组布置。

(4)用水或冷剂冷却几组不同物料的冷却器，宜成组布置。

(5)成组布置的换热设备，宜取支座基础中心线对齐，当支座间距不相同时，宜取一端支座基础中心线对齐。为了管道连接方便，地面上布置的换热器也可采用管程进出口管嘴中心线对齐。

(6)换热设备应尽可能布置在地面上，但是换热设备数量较多可布置在构架上。

l)浮头式换热器在地面上布置时，应满足下列要求：

①浮头和管箱的两侧应有宽度不小于0.6m的空地，浮头端前方宜有宽度不小于1.2m的空地；

②管箱前方从管箱端算起应留有比管束长度至少长1.5 m的空地。

2)浮头式换热器在构架上布置时，应满足下列要求：

①浮头端前方平台净空不宜小于0.8 m；

②管箱端前方平台净空不宜小于1 m，平台采用可拆卸式栏杆，并应考虑管束抽出区所需的空间；

③构架高度应能满足换热器的管箱和浮头的头盖吊装需要，构架荷载应能承载设备头盖重量。布置如图1。

图1 换热器检修及布置要求示意图

换热器检修一般程序：拆卸管箱及浮头、管束抽芯清洗或直接清洗、壳程清洗、部件试压、管束、管箱及浮头等复位、设备复位后整体试压、气密、验收。

(7)为了节约占地或工艺操作方便可以将两台换热设备重叠在一起布置。但对于两相流介质或壳体直径大于或等于1.2m的换热器不宜重叠布置；下部设备管口应考虑上部设备的附加荷载。

(8)换热器之间、换热器与其他设备之间的净距不宜小于0.7m。

(9)重质油品或污染环境的物料的换热设备不宜布置在构架上。

(10)操作温度高于物料自燃点的换热器的上方，如无楼板或平台隔开，不应布置其他设备。

(11) 设备管口的法兰参数应与其管道法兰一致。

(12)热虹吸再沸器安装高度严格遵循工艺计算值。

(13)固定在塔器上的立式换热器，其支架应考虑设备热应力。

(14)空冷器的布置应避免自身或相互间的热风循环，可采取下列措施:

1)同类型的空冷器应布置在同一高度。

2)相邻的两空冷器应紧靠布置，不应留有间距(复合空冷器除外)。

3)多组空冷器应相互靠近，否则易造成热风循环。

4)空冷器应布置在装置的上风则，以免腐蚀性气体或热风进入管束，从而影响空冷器的冷却效果。

5)引风式空冷器与鼓风式空冷器布置在一起时，应将引风式空冷器布置在鼓风式空冷器的上风侧。当引风式空冷器与鼓风式空冷器混合布置时，其管束的安装高度应比鼓风式空冷器低。

(15)含有毒、腐蚀介质的换热器，换热器尽量集中布置，且在换热器周围设置围堰。

(16)含液氨、液化烃介质的换热器/蒸发器，应设置水喷淋系统。

(17)若换热器有坡度要求，其基础标高应有高差，以满足坡度要求；且设备管口连接面应水平布置。

(18)布置在框架内的立式换热器，设备上方应留出检修空间，不宜布置其他设备。

2 换热器管道布置原则[2]

(1)工艺管道布置应注意冷热物料的流向，一般为冷物流自下而上，热物流由上而下。

(2)管线布置应该方便操作，并且不妨碍设备的检修：

1)管线布置不影响设备的抽芯，包括管束和内管。

2)管线和阀门、仪表元件的布置，不得妨碍设备的法兰和阀门自身法兰的拆卸或安装。配管如图2。

图2 换热器周围配管要求示意图

(3)套管换热器检修时需抽出内管，配管时应设置检修用法兰，并考虑操作和维修时拆卸法兰及紧固螺栓所需的空间。

(4)换热器的基础标高，满足其下部排液管道距离地面或操作平台面不应小于200 mm，排液口应避开设备基础，以免管线和设备基础发生碰撞。

(5)对气液两相流的管道布置应使管道走向尽量短，不得出现液袋，且管道支架应防止振动。

(6)对于筒体需要整体移出才能检修的设备，管线应设计拆卸法兰，并不应在设备检修区布置管线。

(7)成组布置的换热器区域内，可在地面或操作平台上敷设管道，但不应妨碍通行和操作；调节阀组应平行于设备布置。

(8)与冷换设备相接的易凝介质的管道或含有固体颗粒的管道副线，其切断阀应设在水平管上，并应防止形成死角积液。

(9)有满液要求的换热器，物料管线布置要呈“U”型布置。

(10)换热器进出口有旁路时，进出口切断阀及旁路阀应靠近布置。易凝介质和腐蚀介质的配管，应使旁路开、闭时管道盲端都最短。配管如图3。

图3 换热器进出口管道及旁路的基本配管方案

3 案例

图4 设备平面布置图

某化工装置中，有两台高温卧式换热器530E0105和530E0107，参数如下：530E0105，操作温度350℃；530E0107，操作温度250℃。两台设备布置如图4。

装置投料开车后，设备530E0105与530E0107设管板严重变形，530E0107设备基础被推倒，装置紧急停车，对企业造成很大损失。

4 案例分析及处理方案

按照工艺要求，将设备530E0105与530E0107直连布置。由于操作温度较高，需对管系进行应力核算。管系1的计算范围是截至设备530E0105固定端，管系2的计算范围是截至设备530E0107固定端，两者均通过应力核算。但530E0105与530E0107的固定端之间的热应力，无法消除，热应力大小高达250000N。

此力之大超乎想象，足以对设备和土建基础造成严重破坏。所以设备530E0105或530E0107的固定端必须改为滑动或滚动。以530E0107为例，把固定端改为滑动端，固定端支座螺栓孔改为长圆孔，土建基础加钢垫板，减少设备与基础间摩擦力。以530E0105的固定端至管系2作为整个系统进行应力核算，确保消除管道和设备的全部热应力。

5 结语

在换热器的工艺和结构设计固然重要，同时换热的设备和管线布置需要更加合理，紧凑，设备和管线的热应力消除在设备可承受范围内。对整个装置良好、安全运行至关重要。