浅谈绕管式换热器的管道设计及应用

科技创新导报2013 NO.05Science and Technology Innovation Herald工业技术浅谈绕管式换热器的管道设计及应用李政（华陆工程科技有限责任公司 陕西西安 710065）摘 要：该文主要对绕管式换热器的布置和管线设计进行了较为详尽的介绍，同时结合工程实际对一些需要注意的问题提出自己的看法。关键词：绕管式换热器 布置 配管中图分类号：文献标识码： 文章编号：TQ051.5 A 1674-098X（2013）02（b）-0058-02在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、炼油、动力、原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10％～20％。在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35％～40％。绕管式换热器从传热原理上属于间壁式管式换热器，由于它具有管式换热器的耐高压的性能，同时自身又具有结构紧凑、传热效率高的优点，特别适用于换热器管内外介质的比容（m3/Kg）差较大的场合，这在深度冷冻的工艺过程中是经常遇到的。绕管式换热器的传热管子可长达50～60󰀡m，更有长达150～160󰀡m。该换热器还具有多股流的换热特点，结构上又有一定的温差自补偿能力，所以特别适用于低温下的气体分离装置。例如：空气分离装置、氢液化装置、稀有气体分离装置及低温甲醇洗、氮洗等工艺过程。高压流体和液体一般在管内流动，低压气体应有尽量小的阻力损失。管径应符合产品的规格或现有管料情况，过大的管内径，要减少管数，增加管长及换热器的重量和外型尺寸，管径减小可使换热器紧凑、经济。但管径过小会使制造困难，并使集气器的外形尺寸增大。目前，深冷装置换热器常用管子的外径d0=7～10󰀡mm，管壁厚则由管内流体的工作压力及盘管时不损坏管子为原则而决定，一般壁厚大于1󰀡mm。在设备修复方面，缠绕管换热器一般制造技术复杂，因此运行时容易出现问题，主要问题有堵塞、管子泄漏和管口泄漏等，正确选择合适的修复方案对装置十分重要。换热器出现堵塞后，疏通的方法有两种：一种是用高压水枪冲洗，主要针对堵塞不是很严重的情况；第二种就是用化学清洗办法，主要用于严重堵塞。如换热器经查出现了管子泄漏，那只有在试压查漏明确的情况下进行堵管。换热器出现了管子泄漏问题，要分两种情况进行修复：管数多，则采用堵管办法；管数少，堵管后会严重影响换热效果，则宜选用抽芯补焊的办法修复绕管。是在甲醇装置低温甲醇洗（706）主项中的布置情况，E-1606，E-1607在EL12000上支撑，并且穿过EL7000楼面。由于绕管式换热器E-1606和E-1607的管程进出口在换热器的顶部和底部，并且是几组甲醇富液的热交换，因此框架的高度应充分考虑配管时的空间高度。在做低温甲醇洗装置（706）中的绕管式换热器布置时除了遵守相关的技术规范、规定外还应注意下面几点。1 绕管式换热器的结构特点及检修方法绕管式换热器是换热管以一定的角度盘绕在中心筒上，每层有不同数量的管子平行地一起缠绕，随着层次由里向外，每层同时绕的管子数目也相应增加，所有层中每根盘管的长度基本相同。相邻两层管子的盘绕方向相反，层间以垫条隔开，垫条的厚度决定管层间隙构成壳侧通道，通道大小应均匀。中心管用无缝管或有缝钢管。其一端或二端支承在筒体上，以承受盘管的重量。盘管束绕好后套装在筒壳内。为防止气流在筒壳与管束的空隙间短路，盘管束外通常装有一个薄板焊成的整流筒。另外，换热管的盘绕角一般为5～20󰀡°。绕管式换热器的特点是结构紧凑，单位换热面积大，热损小，承压能力高。一般高压流体在管内流动。换热管大部分呈盘绕状，盘绕角较小，故管内、管外的清扫很困难，所以管内、管外不适于走不洁的流体。绕管式换热器结构计算主要内容有：确定盘管层数及每一层缠绕的管数和盘绕圈数；确定换热管大小和每层管子的轴向间隙及每一层管子的盘绕长度。确定每层盘管的中心直径和盘管的高度，及每层垫条的厚度。结构形式的选择除考虑制造、工艺外，一般还应考虑使两种换热流体的流向按逆流布置或混合流布置，图1绕管式换热器甲醇富液的进出口管道通常需要坡度要求，由工艺流程图得知E-1606（图2）的管口N05.1-NO5.3，NO1，NO2进出甲醇富液的管口都有坡度要求，因此在布置的时候必须计算出该绕管式换热器与其他及各相连设备管口的相对标高，看是否满足配管的坡度要求即进料管口应该低于相连设备的出料管口，出料管口应该高于相连设备的进料管口并且留有足够的配管空间。在满足了几个管口的工艺坡度要求后就可以初定出设备的支撑点标高，在定出的。支撑点标高的基础上计算出其他各管口的标高，然后结合结构框架看各主要物料管口高度是否合适，是否有离地面太低的管口或者换热器侧出管口是否有碰撞楼面等问题。在图1的布置当中，支撑点标高最终定在了EL12000，但是换热器的底部管口经计算刚好在EL7000楼面附近，因此碰撞楼面并且没有足够的配管空间，但是考虑到EL7000楼面换热器附近再无其他设备及操作要求因此取消了E-1606和E-1607在EL7000处的楼板即将这部分楼面挑空，这样就解决了管口连接管道与楼面的碰撞问2 绕管式换热器的选择原则绕管式换热器的使用是有条件的，一般在下述情况下采用绕管式换热器：(1）几股工艺物流必须同时冷却或加热时，用于几股工艺物流之间的热交换；(2）几股不同物流之间的温差小，但是热负荷大；(3）绕管式换热器的管内、管外不适于走不洁的流体。3 绕管式换热器的设备布置3.1 绕管式换热器布置的一般原则由于绕管式换热器多为立式多股流体的换热设备，因此它与一般的卧式换热器的布置有所不同。(1）应该了解它的生产操作、吊装和基本维修方法以及应该遵守的技术规范、规定；(2）了解工艺流程特点，选择适当的框架高度以满足工艺要求；(3）再次就是由于绕管式换热器的顶部和底部管口较多，应考虑足够的空间使进出物料的管道有合适的空间布置；(4）注意几台绕管式换热器同时布置的时候应该尽量使几台设备中心线取齐并且留有足够的配管空间。3.2 绕管式换热器在低温甲醇洗（706）装置中的设备布置应用如图1所示，图中两台绕管式换热器就58科技创新导报 Science and Technology Innovation HeraldCopyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.工业技术题。解决了以上问题后换热器的支撑点标高基本就定出来了。2013 NO.05Science and Technology Innovation Herald科技创新导报种配管形式，对于绕管式换热器的形式有多种多样，两股物料热交换的绕管式换热器管口较少、配管比较简单，这里不作详细阐述，主要针对两股以上物料热交换的绕管式换热器的配管进行阐述。如图3所示是几种常见配管形式。(1）直管式配管。(2）半盘管式配管。(3）全盘管式配管。值得注意的是在什么情况下选取什么形式的配管尤为重要，一般的选取原则是当顶部管口较少（一般不超过四个），而且管口对称布置并能满足管道间距的选取直管式配管，这种配管的好处在于管道走向简单，节省空间和管道材料，配管相对简单易懂；当顶部管口较多（四个以上）时，就不易选取直管式配管，应该尽量选取半盘管式或全盘管式配管，而选择半盘管式还是全盘管式配管主要根据设备管口的管口方位，和管道的走向，尽量做到同一股物流进入换热器各管口分布均匀。4.3 绕管式换热器在低温甲醇洗中的管道布置应用如图1所示的绕管式换热器E-1606和E-1607，在配管前首先由工艺流程图得知E-1606和E-1607均是三股甲醇富液的换热过程。拿E-1606（图2）为例，由于顶部和底部都均匀分布了7个物料管口并且管径较大，因此首先排除了直管式配管的形式，主要采用半盘管式和全盘管式配管。但是由于顶部和底部都有两组甲醇富液进出设备而且由设备工程图得知管口标高一致，因此在配管时必须注意分开两组甲醇富液的进出口的盘管标高，并留够足够的管间距和管架空间。将E-1606顶部两组甲醇富液的进口盘管标高分别设置在了EL17500和EL18500。同样底部两组甲醇富液的出口盘管标高分别设置在了EL6600和EL7100。在确定了顶部和底部盘管标高之后就可以根据工艺流程图设计盘管与相关设备的管道了。在E-1606的顶部管道设计中值得注意的是由工艺流程图得知管道有坡度要求不能有高点和低点，因此在配管时应特别注意坡向，不要有低点，防止存液；而在设备底部的物料出口管口一般也有坡度要求，由于管口在设备底部，因此不可避免的存在一个低点，但是配管时还应注意不要再人为增加低点，并且在出口低点处设置回流管，在停车检修时将管道底部低点的甲醇富液回流至甲醇富液系统。而对于绕管式换热图2绕管式换热器的平面布置方面主要应该考虑有足够的配管空间，尽量靠近相关的设备减少管道的长度，几台换热器的中心线应该布置在同一直线上。在图1所示的E-1606和E-1607的平面布置在初步设计中均布置在距1-D轴线3000󰀡mm处即在同一直线上，但是在详细设计中由于结构布梁的要求设备E-1606必须北移才能满足结构条件，因此将换热器E-1606北移了1000󰀡mm即放在距1-D轴线2000󰀡mm处。定出绕管式换热器的支撑点标高和平面位置后，绕管式换热器在框架中的布置也就基本完成了。器壳程物料的管口设置在换热器的侧面，通常也有坡度要求，只要在管道设计时注意核直管式配管对管口标高，满足坡向要求即可。4.4 绕管式换热器配管的独特性总之绕管式换热器的配管有其相对独特的一面，根据绕管式换热器的设备特点，其顶部和底部管口的配管通常是独立的两层盘管或直管（附图1），在其他设备配管中很少见到，如果忽视了顶部底部配管的形式及盘管的标高和出口方向就很容易使设备顶部和底部的管口连接管道打架碰撞，因此在绕管式换热器的配管中应特别注意。5 结语绕管式换热器的布置和管线设计同其半盘管式配管4 绕管式换热器的管道布置4.1 管道布置前的准备工作在完成了设备布置后就是管道布置了，在做管道布置前首先应该。(1）熟悉工艺流程，了解绕管式换热器的换热流股是什么，从哪里来到哪里去；(2）了解设备工程图，根据设备布置给出的支撑点标高在设备工程图中计算出绕管式换热器的主要管口的标高，检查管口标高是否合适；(3）检查设备布置中几个绕管式换热器是否满足配管间距，是否符合工艺流程的要求。4.2 绕管式换热器的常见几种配管形式在讨论图1中E-1606和E-1607的配管之前，首先介绍一下绕管式换热器常见的几他设备一样需要考虑很多因素，是一项复杂、细致的设计工作，它不仅要考虑满足工艺流程，而且还要考虑经济合理；既要考虑实用、安全，又要考虑整齐、美观。这就要求设计人员在设计过程中不断钻研，努力提高自身素质，及时总结经验，收集、整理相关资料。只有这样，才能减少设计中的失误，更加合理的进行设备布置和管道布置，保证施工开车的顺利进行。参考文献[1]󰀡石油化工管线设计[M].化学工业出版社.[2]󰀡化工装置设备布置设计规定.HG20546-92.全盘管式配管图3[3]󰀡化工设备设计全书.换热器设计[M].上海科学技术出版社.科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald59Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.