大型空分裝置配套水浴式汽化器的設計理念與結構優化

丁傳琪，李燕鵬，王波

（中國空分設備有限公司，浙江杭州310051）

大型空分裝置配套水浴式汽化器的設計理念與結構優化

丁傳琪，李燕鵬，王波

（中國空分設備有限公司，浙江杭州310051）

針對大型空分裝置配套水浴式汽化器，從設計角度出發，以節能減排為目的，討論如何從設計理念方面（包括傳熱模型、放熱方式、準則數關聯式的選取等）以及結構設計方面來進一步優化，使水浴式汽化器理論計算更有依據、結構設計更加合理，真正達到快速響應以及節能減排的目標。

水浴式汽化器；傳熱模型；結構優化；快速響應；節能減排

1 背景

近年來，隨著冶金、石化以及煤化工等行業規模不斷大型化發展，與之匹配的空分裝置大型化成為必然趨勢。60000 m3/h、80000 m3/h，甚至是100000 m3/h（均指氧產品產量）及以上等級的空分裝置開始不斷涌現。為了保證在空分裝置故障停車時下游用氣各單位能夠持續穩定生產，絕大多數空分裝置都會考慮同時配套與所需氣量相當的大容量后備供氣系統。后備供氣系統加壓汽化供氣的快速與穩定程度，往往決定了下游用氣各單位各個生產環節的穩定性與安全性。

目前廣泛使用的液體貯存加壓汽化供氣系統主要由低溫液體貯槽、液體加壓泵、汽化器和管網系統組成。其中汽化器作為關鍵設備，主要有空浴式汽化器和水浴式汽化器兩種。空浴式汽化器一般為鋁合金或不銹鋼材質型材管，對管內低溫液體加熱采用大氣的自然對流放熱方式，大氣自然對流放熱系數低決定了其尺寸結構龐大、占地面積大；而且空浴式汽化器維護檢修困難，且單臺設備因大氣中水分結霜層增厚并延伸無法長時間穩定連續工作（一般需兩臺同規格空浴式汽化器切換工作）；另外，空浴式汽化器換熱機理決定了汽化器氣體出口溫度一定低于環境氣溫，汽化器氣體出口溫度受環境氣溫及濕度的影響很大。綜合上述原因，現代大型空分裝置配套汽化器多采用水浴式汽化器，在很大程度上能夠彌補空浴式汽化器的不足。

2 水浴式汽化器的特點

水浴式汽化器作為空分裝置的后備供氣系統配套的關鍵設備，在冶金、石化、煤化工等行業得到了廣泛的應用，一般有以下特點：

（1）不銹鋼材質的多層繞管式管束換熱器結構，適用于帶壓低溫液體的沸騰汽化并復熱至常溫的工藝過程；同時，繞管式管束結構可適應溫度劇烈變化；盤管管束可單獨抽芯，便于設備清潔與檢修；采用立式結構，占地面積小。

（2）熱源采用蒸汽間接加熱方式，首先蒸汽加熱中間介質流動水，流動水進而加熱盤管內低溫液體，熱量傳遞過程有較完善的理論設計計算依據；通過水溫控制蒸汽流量，保證汽化穩定；單臺汽化量大，設計汽化能力范圍500～150000 m3/h；承壓能力范圍廣。

（3）結構設計可靠，使用壽命長；一般需要配備循環水泵，以提高水側流速，實現強制對流，強化換熱效果，達到快速響應要求。

（4）單臺設備結構上可設計成同時處理多股流汽化復熱。

（5）無需備用汽化器，工藝氣出口溫度不受環境氣溫影響。

3 大型空分配套裝置水浴式汽化器設計理念

大型空分裝置配套水浴式汽化器要求汽化量大、承壓能力高、響應迅速、工作穩定、操作維護簡便。同時為了達到節能減排的目的，要求汽化器在設計過程中盡可能做到設計計算準確（即傳熱計算及流體流路設計等要符合所選擇的傳熱學計算準則數關聯式模型相應規定），使實物結構與設計計算更加符合，以避免汽化器在使用過程中無效的熱能消耗。而目前國內一些水浴式汽化器生產制造廠家，雖然設備本身汽化能力（僅指氣量、壓力）也能滿足設計要求，但在實際使用過程中我們也經常發現實際蒸汽的耗量已遠遠超過了設計值，大量的熱水并沒有經過熱量回收就已直接排走。這些熱量損失都勢必會造成能源的浪費，而且隨著裝置的大型化，浪費的能源也會隨之增多，這與今天我們所提倡的節能減排的主流思想不符。

針對上述實際情況，本文將重點從設計角度出發，討論大型空分裝置配套水浴式汽化器一些合理的設計理念及汽化器結構上的一些改進與優化，以引起各有關汽化器設計者及生產廠家的關注。

（1）水浴式汽化器傳熱模型的選取

傳熱模型選取的正確與否，將直接影響汽化器傳熱計算結果的準確性，因此我們在開展設計工作之前必須首先明確這一點。蒸汽水浴式汽化器主要通過蒸汽噴射后遇水凝結液化放熱加熱容器內的流動水，被加熱的流動水進而對通入繞管中的低溫液體放熱完成熱量傳遞使低溫液體沸騰汽化并復熱至常溫。顯而易見，熱量首先由水蒸汽傳遞給流動水，再由流動水傳遞給低溫液體，是三種不同狀態介質之間串接的熱量傳遞過程。

對于蒸汽加熱容器內流動水的過程，我們可以簡單理解為遇水后水蒸汽凝結放熱的一個熱量傳遞的過程，而主要的傳熱過程發生在熱水與換熱盤管內的低溫液體之間，是我們主要討論內容。從傳熱學原理我們可以知道，在熱、冷流體進、出口溫度已確定的條件下，逆流時的對數平均溫差恒大于順流時的對數平均溫差，故從傳熱推動力對數平均溫差Δt的角度看，逆流總是優于順流。因此水浴式汽化器的傳熱計算模型也是基于熱水流動方向與換熱盤管內低溫液體流動方向之間為逆向流動的傳熱過程。對于低溫液體沸騰汽化并復熱至常溫的過程，由于管內低溫液體存在包括相變過程在內的復熱過程，通常我們將整個汽化器工作過程分為三個區段：過冷區段、沸騰區段、過熱區段。三個區段均采用逆向流動傳熱模型進行計算。圖1為低溫液體汽化過程中的區段劃分示意圖。

圖1 低溫液體汽化過程區段劃分示意圖

（2）各介質間放熱方式的確定

有了傳熱模型與上述汽化整個過程三個區段劃分方式后，需要按照實際的傳熱過程進行具體的三個區段分段計算。無論是哪一個段，熱量總是從高溫側管外流動熱水側通過管間壁傳遞給低溫側管內流動低溫液體側，熱流方向都是一致的。

圖2為各區段高溫熱水側至低溫流體側熱量傳遞示意圖。

圖2 熱水側至低溫流體側熱量傳遞示意圖

由圖2可以看出，一般認為由管外流體至管內流體的傳熱過程可分為三個串聯環節進行。首先是熱量由水側對管外壁的對流放熱過程（管外壁溫度降至tw2），然后是熱量由管外壁對管內壁的熱傳導過程（管內壁溫度降至tw3），最后是熱量由管內壁對低溫流體的對流放熱過程（圖3適用過冷區段、沸騰區段及過熱區段）。需要特別值得注意的是，往往在過冷區段（及沸騰區段）進行三個串聯環節傳熱學計算及熱流平衡計算時，會得到管外壁溫度可能會出現低于0℃的情況，這與液態水的客觀物性不相吻合，這時管外壁外側一定存在一層冰層以熱傳導方式存在的熱傳遞過程，即在過冷區段（及沸騰區段）需分四個串聯環節進行傳熱學熱平衡計算。冰層外壁與水接觸面的溫度tw1=0℃（冰、水共存），冰層內壁溫度即管外壁同處某低于0℃的溫度tw2。在水浴式汽化器實際運行過程中，也確實有冰層的存在，具體表現在低溫液體入口端盤管外徑會出現結冰的現象，并沿著換熱管的長度方向逐漸減薄直至消失。附帶說明的是，傳熱學理論計算表明，水在盤管管間流速愈大，則結冰層愈薄、愈短，反之亦然。這也是汽化器結構設計要保證水流速為設計值的原因。

（3）各段放熱系數的確定

熱量傳遞的方式主要有對流、傳導和熱輻射，而實際的傳熱過程往往是幾種熱量傳遞方式的共同組合作用的結果。為了方便起見，我們在理論計算時往往只考慮其中占主導地位的熱量傳遞方式。針對水浴式汽化器而言，主要包括有管外水側的對流放熱，管壁間的熱傳導以及管內低溫流體側的對流放熱（包括沸騰放熱）。管外水側的對流又分為強制對流與自然對流兩種方式。對于有快速響應要求（快速響應要求指流量、壓力、溫度在要求時間均達到設計值，響應時間一般要求小于30 s，最短可以做到10 s以內）的水浴式汽化器，我們一般利用外加的循環水泵來實現水側的強制對流（提高管外管間水側流速與雷諾數Re），從而增強水側對流放熱系數及總傳熱系數，減小總換熱面積，提高汽化速率。在進行水側傳熱計算時，需要根據設計水流速合理選擇水側對流放熱準則數關聯式，利用恰當的準則數關聯式進行計算。對于管外自然對流與強制對流的理論計算準則數關聯式，諸多文獻都有詳細說明，這里不再贅述。需要值得注意的是，在采用不同試驗者在不同實驗條件下得出的準則數關聯式進行計算時，關聯式使用所規定的限定條件以及定性溫度、定性尺寸的確定等需特別留意，以免偏離關聯式的使用范圍。

對于管內的低溫液體我們需要分區段來討論：在過冷區段與過熱區段，由于不存在相變，而且低溫液體一般都經過加壓泵加壓，所以都可以利用管內流體強制對流的準則數關聯式來計算放熱系數。同樣，對于關聯式的適用范圍（如雷諾數Re、普朗克數Pr、管長與管徑比L/d等要求）需要注意。對于管內低溫流體的沸騰區段，由于管內流體沸騰兩相流動換熱是一個十分復雜的過程，至今尚無公認適用范圍廣的準確計算模型。一些文獻中能找到的準則數關聯式都是針對性實驗所得的關聯式，且與實驗數據尚存在一定的偏差。管內低溫流體的沸騰汽化過程可以看做是由核態沸騰與膜態沸騰共同作用的結果。膜態沸騰由于氣膜的存在使得傳熱系數迅速下降。水浴式汽化器在實際運行過程中沸騰區的傳熱溫差往往很大，而且換熱管直徑小，我們在進行水浴式汽化器管內流體沸騰計算過程中往往把它當作管內流體的單一膜態沸騰過程。利用膜態沸騰準則數關聯式求得的結果更為保守，因而計算結果有一定的設計余量。將計算所得的沸騰放熱系數與一些文獻中的實驗數據進行比較，數量級亦吻合。

（4）結構設計理念

所有的理論計算都建立在特定的傳熱模型與傳熱過程基礎上，在水浴式汽化器的結構設計上需要充分考慮如何使得實物流體流路更為符合所選定的傳熱過程及傳熱模型，這也是汽化器設計成敗與否的關鍵所在。

圖3所示為某大型空分裝置配套液氧水浴式汽化器外形圖（汽化量50000 m3/h，工作壓力2.5 MPa）。

圖3 某大型空分裝置配套液氧水浴式汽化器外形圖

泵送加壓低溫液體由頂部直管引入汽化器底部環管，由環管分配入盤管自下而上經繞管管束至上部氣體環管匯總后由頂部直管引出常溫氣體；蒸汽管由頂部引入汽化器底部噴射加熱容器底部的水；被加熱熱水從底部管口抽出經循環水泵泵送至上部進水口進入汽化器，使熱水在汽化器各層繞管間自上而下流動形成循環，以上措施滿足冷、熱流體呈逆向流動且能保證盤管管間水流速，過量水（與設計蒸汽耗量相當水量）由水側溢流口引入排水溝。

4 大型空分裝置配套水浴式汽化器的結構優化

相較于國內目前使用中的水浴式汽化器結構，圖3所示某大型空分裝置配套水浴式汽化器在結構設計上具有以下特點：

（1）所有蒸汽管道、低溫液體進口管道及氣體出口管道均布置（懸掛）在頂部，整個繞管管束可實現整體抽芯檢查或清潔。圖4為繞管管束結合部示意圖。

圖4 繞管管束結合部示意圖

（2）蒸汽噴射管道的優化設計，重新核算蒸汽流速，提高小孔噴射流速及調整噴射方向，盡量減少水擊可能。同時，還可另外單獨設置低負荷熱備蒸汽管，對于低負荷下蒸汽管道的振動情況有所改善。

（3）配備大循環量的循環水泵，提高了管間水側流速，增強水側放熱系數；同時改進設計頂部熱水進水分布器結構，保證周向進水水流均勻分布。

（4）優化設計繞管結構，通過調整每層繞管數量，保證汽化器內單根繞管長度基本一致，使低溫流體盡可能均勻分配；進一步優化每層繞管徑向間距及軸向間距，使間距基本一致，結合大循環量熱水流動保證了盤管管間水側流速，增強管外水流橫掠盤管（水流向與換熱管低溫流體流向實現正交）強制對流的放熱系數。

（5）通過提高水側放熱系數，從而增強總傳熱系數K，選用更經濟的換熱面積，一方面降低了制造成本，另一方面提高了汽化器整體的啟動響應速度。

（6）汽化器內部結構的優化，使各流體尤其是熱水循環流路更為清晰，盡可能減少或避免因非盤管區制造間隙過大造成的管間水流短路（同時結構上非盤管區域的水盡量保持不流動狀態，防止水流走短路），使各溫區分配更為合理，更貼近采用的理想傳熱計算模型。

（7）低溫液體進口管道在軸向可自由伸縮，防止因管道冷縮拉壞設備；盤管的彈性結構可適應約300℃大溫差變化引起的脹、縮位移；蒸汽管道只設頂部一個固定點，在底部設置徑向限位結構，蒸汽管道在汽化器內部可沿軸向自由伸縮，消除溫差引起的應力，徑向限位減少振動。

（8）在汽化器下、上部分別設置水側溫度低、高聯鎖測點，保證汽化器的穩定安全運行，同時可監測汽化器冷、熱流體進、出溫度是否與設計值相符。

5 水浴式汽化器常見故障分析及措施

（1）振動

現象：水浴式汽化器投入運行時,發出沉重的響聲和劇烈振動,嚴重的將導致水蒸氣接管與筒體頂蓋焊接連接處撕裂，影響汽化器的安全、穩定運行。

原因：當水蒸氣與低溫水相遇時,水蒸氣急速凝結,造成局部降壓收縮,引起周圍介質（水）高速沖擊而產生。水擊是引起汽化器運行時發生異常響聲和振動的根本原因。

措施：蒸汽從蒸汽管道噴出的速度不宜過低，提高蒸汽噴射速度，及時將冷凝水從蒸汽管底部擠壓排出，減少或避免水擊現象的發生。大型空分裝置配套水浴式汽化器優化了蒸汽入口管道設計，自上而下周向經由小孔噴射蒸汽，提高蒸汽噴射速度；同時，單獨設置低負荷熱備蒸汽管道，滿足小負荷下使用要求。另外，在蒸汽管底部設置了徑向限位機構，以上措施從結構上消除或減小了蒸汽管道的沖擊振動可能性。

（2）腐蝕

現象：換熱管及部分內件腐蝕結垢。

原因：選材不當，容器內的水質不合格，蒸汽品質差，環境中含有酸氣及長時間待機。

措施：內件和換熱管選用合適不銹鋼或更高級材質，首次充裝的用水及運行中臨時補充水要求選用氯離子含量低的脫鹽水，蒸汽品質亦要嚴格控制，定期置換容器中的原有儲水等。

6 總結

大型空分裝置配套水浴式汽化器的設計理念，主要是采用了更為精確地傳熱計算，并且在具體結構設計時使得其結構更加貼近理論計算模型（包括冷、熱流體流向、流速，各類放熱準則數關聯式及相關條件、數據選用等在內），使汽化器在汽化能力與蒸汽耗量上符合設計要求，同時能夠迅速按要求的響應速度啟動，以及更加方便快捷的操作維護方式。

為達到快速響應的要求，在設計過程中主要體現在：更高效的傳熱效果（水側強制對流，提高盤管管間水流速，不發生水側無效短路）、更經濟的換熱面積（結構設計貼合理論計算模型，減少設計余量）、更合理的管間以及管內流體流速的選取等。

另外，為真正實現后備系統汽化供氣快速響應的目的，作為低溫液體加壓系統的低溫液體泵的性能必須首先要保證，并要求處于“冷備”過程中，為后備系統緊急供氣做好準備。同樣，對于水浴式汽化器，也要求采用溫控方式來保持容器內水溫，使蒸汽加熱處于“熱備”狀態。

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]陳叔平譯.低溫傳熱學[M].北京：科學出版社，1982.

[3]譚天恩，竇梅.化工原理（第4版）[M].北京：化學工業出版社，2013.

[4]王明富.水浴式汽化器振動分析及改進[J].深冷技術，2006，1.

The Design Concept and Structure Optim ization of W ater-Bath Vaporizer for Large Air Separator

DING Chuanqi，LI Yanpeng，WANG Bo
(China National Air Separation Plant Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310051,China)

Further optimization of the water-bath vaporizer for large air separator was discussed from the aspects of design concept including the heat transfer model,heat emission mode and selection of correlate equation,and structure design and with the objective of energy conservation and emission reduction.Through design optimization the theoretical calculation of water-bath vaporizer can be put on a firmer basis,the structure design can be more reasonable and the goal of rapid response and energy saving and emission reduction can be achieved.

water-bath vaporizer;heat transfer model;structure optimization;rapid response;energy saving and emission reduction

TB657.7

B

1006-6764(2015)02-0019-05

2014－12－01

丁傳琪（1982－），男，2005年畢業于浙江大學過程裝備與控制工程專業，工程師，現從事空分裝置工藝設計工作。