換熱器的布置原則及案例分析

榮守朋

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

在化工、石油等裝置中，換熱設備是普遍應用的典型設備，是工藝傳熱過程的關鍵設備，合理設計和布置換熱器對化工企業尤為重要；但有時兩臺臥式換熱器直連(管口對管口，中間無管道)時，容易忽略設備本身的熱應力。

1 換熱器設備布置原則[1]

(1)與分餾塔關聯的管殼式換熱設備，如塔底重沸器，塔頂冷凝冷卻器等。宜按工藝流程順序布置在分餾塔的附近。

(2)兩種物料進行熱交換的換熱器，宜布置在兩種物料進出口相連的管道最近的位置。

(3)一種物料與幾種不同物料進行換熱的管殼式換熱器，應成組布置。

(4)用水或冷劑冷卻幾組不同物料的冷卻器，宜成組布置。

(5)成組布置的換熱設備，宜取支座基礎中心線對齊，當支座間距不相同時，宜取一端支座基礎中心線對齊。為了管道連接方便，地面上布置的換熱器也可采用管程進出口管嘴中心線對齊。

(6)換熱設備應盡可能布置在地面上，但是換熱設備數量較多可布置在構架上。

l)浮頭式換熱器在地面上布置時，應滿足下列要求：

①浮頭和管箱的兩側應有寬度不小于0.6m的空地，浮頭端前方宜有寬度不小于1.2m的空地；

②管箱前方從管箱端算起應留有比管束長度至少長1.5 m的空地。

2)浮頭式換熱器在構架上布置時，應滿足下列要求：

①浮頭端前方平臺凈空不宜小于0.8 m；

②管箱端前方平臺凈空不宜小于1 m，平臺采用可拆卸式欄桿，并應考慮管束抽出區所需的空間；

③構架高度應能滿足換熱器的管箱和浮頭的頭蓋吊裝需要，構架荷載應能承載設備頭蓋重量。布置如圖1。

圖1 換熱器檢修及布置要求示意圖

換熱器檢修一般程序：拆卸管箱及浮頭、管束抽芯清洗或直接清洗、殼程清洗、部件試壓、管束、管箱及浮頭等復位、設備復位后整體試壓、氣密、驗收。

(7)為了節約占地或工藝操作方便可以將兩臺換熱設備重疊在一起布置。但對于兩相流介質或殼體直徑大于或等于1.2m的換熱器不宜重疊布置；下部設備管口應考慮上部設備的附加荷載。

(8)換熱器之間、換熱器與其他設備之間的凈距不宜小于0.7m。

(9)重質油品或污染環境的物料的換熱設備不宜布置在構架上。

(10)操作溫度高于物料自燃點的換熱器的上方，如無樓板或平臺隔開，不應布置其他設備。

(11) 設備管口的法蘭參數應與其管道法蘭一致。

(12)熱虹吸再沸器安裝高度嚴格遵循工藝計算值。

(13)固定在塔器上的立式換熱器，其支架應考慮設備熱應力。

(14)空冷器的布置應避免自身或相互間的熱風循環，可采取下列措施:

1)同類型的空冷器應布置在同一高度。

2)相鄰的兩空冷器應緊靠布置，不應留有間距(復合空冷器除外)。

3)多組空冷器應相互靠近，否則易造成熱風循環。

4)空冷器應布置在裝置的上風則，以免腐蝕性氣體或熱風進入管束，從而影響空冷器的冷卻效果。

5)引風式空冷器與鼓風式空冷器布置在一起時，應將引風式空冷器布置在鼓風式空冷器的上風側。當引風式空冷器與鼓風式空冷器混合布置時，其管束的安裝高度應比鼓風式空冷器低。

(15)含有毒、腐蝕介質的換熱器，換熱器盡量集中布置，且在換熱器周圍設置圍堰。

(16)含液氨、液化烴介質的換熱器/蒸發器，應設置水噴淋系統。

(17)若換熱器有坡度要求，其基礎標高應有高差，以滿足坡度要求；且設備管口連接面應水平布置。

(18)布置在框架內的立式換熱器，設備上方應留出檢修空間，不宜布置其他設備。

2 換熱器管道布置原則[2]

(1)工藝管道布置應注意冷熱物料的流向，一般為冷物流自下而上，熱物流由上而下。

(2)管線布置應該方便操作，并且不妨礙設備的檢修：

1)管線布置不影響設備的抽芯，包括管束和內管。

2)管線和閥門、儀表元件的布置，不得妨礙設備的法蘭和閥門自身法蘭的拆卸或安裝。配管如圖2。

圖2 換熱器周圍配管要求示意圖

(3)套管換熱器檢修時需抽出內管，配管時應設置檢修用法蘭，并考慮操作和維修時拆卸法蘭及緊固螺栓所需的空間。

(4)換熱器的基礎標高，滿足其下部排液管道距離地面或操作平臺面不應小于200 mm，排液口應避開設備基礎，以免管線和設備基礎發生碰撞。

(5)對氣液兩相流的管道布置應使管道走向盡量短，不得出現液袋，且管道支架應防止振動。

(6)對于筒體需要整體移出才能檢修的設備，管線應設計拆卸法蘭，并不應在設備檢修區布置管線。

(7)成組布置的換熱器區域內，可在地面或操作平臺上敷設管道，但不應妨礙通行和操作；調節閥組應平行于設備布置。

(8)與冷換設備相接的易凝介質的管道或含有固體顆粒的管道副線，其切斷閥應設在水平管上，并應防止形成死角積液。

(9)有滿液要求的換熱器，物料管線布置要呈“U”型布置。

(10)換熱器進出口有旁路時，進出口切斷閥及旁路閥應靠近布置。易凝介質和腐蝕介質的配管，應使旁路開、閉時管道盲端都最短。配管如圖3。

圖3 換熱器進出口管道及旁路的基本配管方案

3 案例

圖4 設備平面布置圖

某化工裝置中，有兩臺高溫臥式換熱器530E0105和530E0107，參數如下：530E0105，操作溫度350℃；530E0107，操作溫度250℃。兩臺設備布置如圖4。

裝置投料開車后，設備530E0105與530E0107設管板嚴重變形，530E0107設備基礎被推倒，裝置緊急停車，對企業造成很大損失。

4 案例分析及處理方案

按照工藝要求，將設備530E0105與530E0107直連布置。由于操作溫度較高，需對管系進行應力核算。管系1的計算范圍是截至設備530E0105固定端，管系2的計算范圍是截至設備530E0107固定端，兩者均通過應力核算。但530E0105與530E0107的固定端之間的熱應力，無法消除，熱應力大小高達250000N。

此力之大超乎想象，足以對設備和土建基礎造成嚴重破壞。所以設備530E0105或530E0107的固定端必須改為滑動或滾動。以530E0107為例，把固定端改為滑動端，固定端支座螺栓孔改為長圓孔，土建基礎加鋼墊板，減少設備與基礎間摩擦力。以530E0105的固定端至管系2作為整個系統進行應力核算，確保消除管道和設備的全部熱應力。

5 結語

在換熱器的工藝和結構設計固然重要，同時換熱的設備和管線布置需要更加合理，緊湊，設備和管線的熱應力消除在設備可承受范圍內。對整個裝置良好、安全運行至關重要。