大型煤化工变换单元双U型管换热器设计
2024-01-16杜晓杰华陆工程科技有限责任公司西安710065
于 清 杜晓杰 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065
在煤化工领域，需要在CO变换单元将一氧化碳气体变换成氢气，在常规变换工艺流程设计中，进变换炉前需要设置粗煤气预热器，将进变换炉的粗合成气预热，高出露点一定温度后送至变换炉。同时，为回收变换反应热，设置蒸汽过热器将变换单元副产的中压饱和蒸汽过热。
当变换单元为中小规模时，粗煤气预热器和蒸汽过热器多采用传统BEU型式。受粗煤气气量、平均温差、压降等影响，此型式的换热器外形一般呈短粗型且工艺气侧的压降略大。随着大型煤化工项目的建设需要，变换单元规模及处理气量也越来越大。在换热器计算过程中，当粗煤气处于完全湍流状态时，流体经过换热设备的压力和流体流速的平方成正比，也同时和换热管长成正比。对于和本文相关的这两台换热器，如变换单元的规模从60万吨/年提高到120万吨/年，粗煤气换热器和蒸汽过热器工艺侧的流速将提高2倍，粗煤气侧的压降将提高4倍，实际计算时，粗煤气侧的压降远超过控制值。为降低粗煤气侧压降，一般通过增加换热器直径(即增加换热管数量)来增加流体的流通截面积，或者通过减少换热管长来实现，这样换热设备容易做成短胖型。而且，不可能无限减小换热管长。另一种思路就是采用多台换热设备并联方式，目的是减少单台换热器的处理气量来降低单台设备的压降，但又提高了设备造价，增加了设备占地。
故本文将介绍一种适用于上述工况的新型双U型换热器的构造和自身特点、同传统U型管壳式换热器的差异，以及已投用项目运行情况。
1 换热器设计基础
本文以某煤制气项目变换单元的粗煤气预热器为例，该换热器的设计参数见表1。
表1 原料气预热器操作条件参数
2 换热器型式比较
2.1 换热器型式简介
2.1.1 单U型管换热器
本文介绍工况的传统U型换热器示意图见图1。
图1 单U型管换热器示意图
2.1.2 并联单U型管换热器
本文介绍工况如采用传统U型换热器，管程和壳程气体侧压降均很大，一定程度上会增加工厂能耗，同时，在大规模项目中会出现换热器直径过大、密封效果差等问题。为减少压降，一般会采用多台换热器并联设计，详见图2。
图2 双U型管换热器并联示意图
2.1.3 新型双U型管换热器
新型双U型管换热器是在两台换热器并联的基础上进行优化，将换热器的管程放置在同一个壳程内，即：单壳程和两段管程构成一台换热器。该型式的换热器具有以下显著特点：
(1)换热器为双U型管式换热器。换热器包含两套管箱、管板和U型管束，且规格尺寸完全一样。
(2)两套管箱、管板和U型管束，呈180°布置于一个壳体中。
(3)壳程为同一种介质；管程为另外同一种介质。
(4)壳程和管程的流体在新型双U型管换热器入口前已通过管道设计均分为两路。
新型双U型管换热器两端管箱处分别设有1个入口和出口，管程流体从该扣流入，换热后从出口流出。新型双U型管换热器壳程在靠近管板处分别设有1个入口，在壳程中部设有1处出口。壳程流体从壳体进口流入，换热后从出口流出。这种设计保证两套U型管束冷流体和热流体的换热工况完全一样，见图3。
图3 新型双U型管换热器示意图
2.2 三种不同型式换热器计算结果
将Aspen plus计算物性数据导入HTRI软件，利用HTRI软件对三种不同型式的换热器进行了计算，计算结果见表2。
表2 不同类型换热器计算结果
2.3 三种不同型式换热器比较
2.3.1 概述
表2中所示的三种不同型式换热器相比：
单U型管换热器壳程直径小，重量低，但壳程和管程的压降均很高，超出一般换热器控制压降指标(<30kPa)。该换热器壳程和管程均为工艺介质，且后系统工艺技术需要再提高压力，压降大会造成后系统压缩机功率提高；如果将管、壳程的压降有效降低，需要增大壳程的直径，即同步增加换热管根数。在换热面积一定的情况下，设备会呈现出直径大、换热管短的短粗型外观。
并联U型管换热器虽然解决了压降问题，但是和新型双U型管换热器相比，由于分成两台设备，相应设备重量略高。同时，因是两台设备，考虑设备间距等因素，占地也会略大。本文介绍的换热器为压力容器，从设备维护、压力容器检验方面来看，一台新型双U型管换热器比两台U型管换热器具有压力容器检验设备数量少、维护费用低等优势。
2.3.2 节能
如表2中所示，新型双U型管换热器的压降和并联多台U型管换热器相同，均比单U型管换热器减少110kPa。以某运行项目为例，如果单U型管换热器144kW压降对应的压缩机的功率为689kW，并联多台U型管换热器和新型双U型管换热器的压降34kW压降对应的压缩机的功率为163kW。将减少的110kPa压降转换为压缩机电耗为526kW，按照电价0.5元/kW·h，每年因电费可节约操作成本为210.4万元/年(8000h/年操作时间)。详见不同类型换热器电耗压降对比图(图4)。
图4 不同类型换热器电耗压降对比图
2.3.3 投资
投资对比见表3：
表3 不同类型换热器投资对比
2.3.4 设备设计制造
新型双U型管换热器与传统BEU型管换热器相比，在制造加工方面没有任何特殊要求，体现在以下三个方面：
(1)此新型换热器与传统换热器相比，考虑到操作压力，操作温度等工况，管板均采用凸肩结构，管板、管箱、筒体及壳程壳体均采用焊接结构方式，即《热交换器》GB/T151—2014中第7.4.1.1条的b结构。管板与换热管的连接形式采用强度焊+贴张的胀焊并用结构。
(2)两种换热器管板的计算模型均采用《热交换器》GB/T151—2014中第7.4.4.3条给出的计算方法，两者的计算模型是完全一致的。
(3)两种类型的换热器的制造，检验以及验收均是一致的，无特殊要求。
3 运行情况
本文所述的双U型管换热器已在某煤制气项目中投产使用，该换热器已运行一年有余，项目运行负荷已达到设计负荷，该设备的运行统计数据见表4：
表4 新双U型管换热器运行数据
从运行情况看，运行工况和原设计工况基本吻合，该换热器运行情况良好，换热器壳程、管程物料换热能够满足项目运行需要，壳程和管程的压降均和原设计值相似。
4 结语
本文所限定的粗煤气预热器和蒸汽过热器这两台设备，如采用本文所介绍的新型双U型管换热器，有以下优势：
(1)换热器压降小：在同样的进气参数下，同相同直径的单U型管换热器相比，本新型双U型管换热器管、壳程的压力降可大幅降低，降低～3/4。
(2)将两台短胖型的单BEU型换热器改变成一台长径比合适、外观相对美观的换热设备，避免单BEU型换热器长径比偏小的外形设计。
(3)同并联多台BEU型换热设备相比，可显著降低设备造价。
