高压缠绕管换热器在国内首套国Ⅴ柴油 液相加氢装置的应用

李义禄(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

对于加氢装置而言，其高压反应产物-原料换热器多采用螺纹锁紧环换热器，但随着设备技术的进步和发展，新型的缠绕管式换热器为该位置换热器设计选型提供了更多选择，具有单位体积换热面积大、传热系数高、允许操作压力高及可实现多介质同时换热等优点，广泛应用于液化天然气、低温甲醇洗、空气分离及液氮洗装置等低温或深冷工段[1]。缠绕管换热器不仅是高效、紧凑的换热器，而且是大型化工艺过程重要的设备之一。

1 螺纹锁紧环及缠绕管换热器简介

螺纹锁紧环换热器目前被广泛地应用于高温、高压等工业生产中，尤其是在大型化加氢装置中，应用更为广泛。但由于国内设计和制造的螺纹锁紧环换热器垫片几乎全部采用波齿复合垫，以及设计中对内套筒和差压试验的研究通常被忽略等问题，许多该型换热器在使用一段时间后或是在开停工过程中极易出现壳、管程之间介质泄漏(内漏)，且一旦泄漏再次密封较难[2]。

缠绕管式换热器广泛应用于大型空气分离装置的过冷器和液化器、液氧液氮装置。其传热系数高，占地面积小，独特的结构形式在一定程度上对其传热有强化作用，对于壳程，相邻缠绕层之间相反的缠绕方式以及垫条等部件加大了壳程流体的扰动，易形成湍流；对于管程，流体在缠绕管内的螺旋流动能够形成二次流，使得管侧膜传热系数提高，从而换热系数增大，传热效率增加[1]。基于缠绕管换热器的传热及大型化方面的优势，该型换热器在中海油惠州石化炼油二期340万t/a直馏柴油液相加氢装置得到应用。

2 缠绕管换热器在中海油惠州石化340万t/a柴油液相加氢装置上的应用

2.1 两种换热器的工艺计算

中海油惠州石化340万t/a柴油加氢装置反应进料/反应产物换热器131-E-102是该装置的关键设备，主要功能是利用反应产物的热量来加热反应进料，回收加氢反应过程中产生的热量。该换热器生产运行条件苛刻，其工艺计算结果如表1所示。

表1 两种换热器工艺计算

由表1可以看出在相同负荷操作条件下，缠绕管换热器的设备重量明显比螺纹锁紧环换热器小，使装置重量减轻了37%，单位负荷金属消耗的节能效果显著。对于高温高压型换热器，缠绕管换热器的高效紧凑、节省材料等优点能够得到显著体现。

2.2 换热器工艺选型

2.2.1.节省投资及占地

由工艺选型可以看出缠绕管换热器设备尺寸小，占地少，投资少，采用1台缠绕管换热器代替2台高压螺纹锁紧环换热器，节省投资388万元，具体造价及占地对比如表2所示。

表2 换热器131-E-132的占地及投资

缠绕管换热器结构紧凑,占地面积小,节约设备用地、优化装置平面布置。在不考虑螺纹锁紧环检修空间的前提下，本案例中缠绕管换热器的占地面积仅为螺纹锁紧环换热器方案的30%。小的占地面积对于装置大型化起着至关重要的重要。

换热器采用单框架布置，设备自应力补偿，与上下游设备加热炉及反应器邻近布置，缩短高温高压管线。

2.2.2 解决螺纹锁紧环式换热器的内漏问题

在设备大型化之后，尤其是在装置开工阶段，由于螺纹锁紧环式换热器结构复杂，各部件的膨胀系数不同，其管、壳程之间极易产生内漏，造成工艺介质互串，中海油惠州石化全液相柴油加氢装置的柴油产品是按国Ⅴ标准设计，内漏超过0.2 t/h，柴油产品硫含量将不合格。而柴油产品是惠州石化二期炼油项目的终端产品，这对于该装置是致命的。

缠绕管式换热器管板和壳体直接焊接，极大地减少内漏可能。另外，管端设有一定长度的自由弯曲段使其具有很好的挠性。因此传热管的热膨胀可自行进行部分补偿，缓解了对管板焊接的应力影响，而管头与管板焊缝泄漏的可能性也得到降低。

3 换热器实际运行情况

2017年9月装置一次开车成功，2018年9月4—7日，装置进行了标定工作，标定期间，各项参数符合设计要求，运行平稳，综合性能指标良好。缠绕管换热器运行实测温度参数如表3所示。

表3 换热器131-E-132运行参数

加氢装置中螺纹锁紧环换热器设计热端温差一般不低于40 ℃，由表3可以看出，缠绕管换热器实际运行热端温差只有15 ℃左右，很好地验证了缠绕管换热器的高效换热优势。由于换热更充分，加热炉燃气消耗大量减少，装置标定能耗比国内目前建成标定的柴油加氢装置少，详细如表4所示。

表4 国内外柴油液相加氢技术比较

中海油惠州石化二期340万t/a柴油加氢装置与相同专利技术的液相加氢装置相比，原料硫含量最高，柴油产品质量最好，能耗低。

中海油惠州石化二期340万t/a柴油加氢装置与其它几套应用不同专利技术的液相加氢装置相比，运行能耗最低，每加工1t原料可以减少0.84～2.36 kg标准油。

4 结语

(1)中海油惠州石化柴油加氢装置采用1台缠绕管换热器替代2台传统高压螺纹锁紧环换热器，降低设备投资388万元；(2)缠绕管换热器的使用，提高了炉前131-E-102的换热效果，其热端温差只有15 ℃左右；(3)随着石化工业装置大型化、集约化的发展，缠绕管换热器由于其结构紧凑、高效节能、泄漏风险低、设备综合投资低的优点，其在加氢装置(尤其是在轻质油加氢装置)代替螺纹锁紧环换热器将成为趋势。