管殼式換熱器配管設計

王洪波

（勝幫科技股份有限公司，上海 201210）

換熱器是進行熱交換的通用工藝設備，廣泛應用于動力、石油化工、冶金等工業部門中。特別是在石油煉制和化學加工裝置中占有重要地位。據統計，僅在煉油廠中換熱設備的投資約占全部工藝設備總投資的35%~40%。面對各種新型、高效和緊湊式換熱器的迅速發展和強有力挑戰，管殼式換熱器靠其自身的技術優勢，依然占據換熱器市場的主導地位。

1 管殼式換熱器結構及分類

1.1 管殼式換熱器組成結構

管殼式換熱器由殼體、管束、折流板和管箱等部件組成。根據結構型式用3個字母依次表示前端結構、殼體和后端結構（包括管束）。前端結構主要為管箱端，常見類型有平蓋管箱（A）、封頭管箱（B）；殼體部分常見型式有單程殼體（E）、釜式重沸器殼體（K）、穿流殼體（X）；后端結構常見型式有固定管板（M）、鉤圈式浮頭（S）、U形管束（U）。

1.2 管殼式換熱器分類

管殼式換熱器按其結構不同一般可分為固定管板式、浮頭式、U形管式、釜式、填料函式5種。

2 管殼式換熱器設備布置

2.1 換熱器布置位置

（1）與塔相關的換熱器，例如塔頂冷卻器、塔底再沸器等，宜按工藝流程順序布置在塔的附近。

（2）換熱器宜布置在地面上。如裝置換熱器數量較多，為減少項目占地，可考慮布置在構架內，以換熱器進出口管線減少低點原則采用分層布置。對于重質油品或污染環境的物料，換熱器不宜布置在構架上。

（3）與反應器直接相關的立式換熱器，可布置在反應器構架內，并應有機動吊裝機具抽出管束的空間。

2.2 換熱器布置高度

布置在地面或者框架內的換熱器基礎安裝高度由換熱器底部管線的管底標高（或放凈閥末端）所需空間決定，一般要求管線的管底標高不小于0.5m或放凈閥末端不小于0.15m。通常情況下臥式換熱器基礎高度可取0.8m，對于成組布置的換熱器，為裝置美觀及施工便利，常將基礎標高差別不大的換熱器基礎標高取齊。

對于重疊布置的換熱器，一般要求最頂層換熱器中心高度宜不超過4.5m。

2.3 換熱器布置設備間距

換熱器兩側主要考慮閥門、儀表的操作檢修，為滿足操作空間要求，兩臺并列布置換熱器殼體法蘭之間的間距宜大于0.8m，當換熱器兩側布置管道、閥門時，也應確保有最小0.8m的檢修通道。

2.4 換熱器布置防火間距

換熱器布置時還應充分考慮周邊設備的防火屬性，具體防火要求可參考石油化工企業設計防火標準（GB50160），尤其應該注意以下2點：

（1）對于超自燃點的換熱器與低于自燃點換熱器布置在一起時，應保持有4.5m的間距。

（2）超自燃點的換熱器或操作溫度超過250℃的換熱器的上方和下方，如無不燃燒材料的隔板隔離保護，不應布置其他可燃介質設備。

2.5 換熱器檢修空間及抽芯設計

浮頭式換熱器布置在地面上時，應符合下列要求：

（1）浮頭的兩側宜有寬度不小于0.8m的空地，浮頭端前方宜有寬度不小于1.5m的空地；

（2）管箱的兩側宜有寬度不小于0.8m的空地，管箱端前方應有比管束長度長1.5m的空地。

浮頭式換熱器在構架上布置時，應符合下列要求：

（1）浮頭的兩側宜有寬度不小于0.8m的空地，浮頭端前方平臺凈距不宜小于1m；

（2）管箱的兩側宜有寬度不小于0.8m的空地，管箱端前方平臺凈距不宜小于1m，并應有管束抽出的空間。

換熱器檢修抽芯一般是指對浮頭式熱交換器和U型管式熱交換器而言。換熱器的管箱拆卸及管束抽出，一般使用吊車或者吊車梁，因此在換熱器上部要確保有所需空間。

2.6 換熱器構架內分層布置實例

某項目冷換構架換熱器分層布置如圖1、圖2所示，冷換構架常采用3層或4層結構布置，地面層布置跟塔器相關聯的超自燃點換熱器，二層布置普通換熱器及中間罐，三層布置跟空冷器相關的水冷換熱器及中間罐，頂層布置空冷器。構架內所有換熱器的固定端設置在靠馬路一側，利用馬路側空地進行設備抽芯。地面采用重型鋪砌，用于吊裝構架頂部空冷器和換熱器抽芯。

圖1 換熱器構架內布置平面圖

圖2 換熱器構架內布置立面圖

對冷換構架內換熱器的布置應充分考慮構架層高，當某層有中間罐時，應保證中間罐的頂部平臺距離構架梁底有2.2m的凈空，常采用6.0m作為每層的層高。

該項目冷換構架布置的特點：

（1）換熱器分層布置，合理利用空間，減少占地。

（2）超自燃點換熱器與低于自燃點換熱器分層布置，有效減小構架橫向占地。

（3）利用構架頂層布置空冷器，充分利用構架上部空間。

2.7 換熱器地面布置實例

某項目與氨合成塔相關聯的10臺換熱器，按工藝流程順序依次布置在氨合成塔的一側。利用北側空地實現對換熱器抽芯和抽殼的檢修需求，換熱器布置如圖3所示。對于氨合成工段的換熱器布置還需要注意管線低點的問題，從實際開車項目分析，合成氣出冷交換器管線開始出現少量的液氨，因此從冷交換熱器到二級氨冷器相關管線不應出現低點，對于冷交換熱器、一級氨冷器、二級氨冷器三臺換熱器的布置可采用圖4的布置，同時為降低三臺換熱器的基礎高度，應將兩臺氨冷器的工藝氣進出口管口調整為切線進出。對于切線進出的氨冷器，應保證切線出口最低點低于換熱器換熱管，以防止液氨冷凝液淹沒換熱管，使換熱管的有效使用面積減少而影響換熱效果。對于切線管口的的高度要求，如圖5所示。

圖3 換熱器地面布置平面圖

圖4 冷交換熱器至二級氨冷器設備布置

圖5 切線管口開口高度要求

氨合成工段換熱器布置的特點：

（1）冷交換熱器到二級氨冷器布置時應保證管道無低點。

（2）換熱器抽芯和抽殼檢修空間在同一側，現場檢修維護方便。

2.8 塔底再沸器的布置實例

某項目塔底再沸器與塔的設備布置如圖6、圖7所示，塔底再沸器為立式結構，采用鋼結構支撐，布置在塔附近。再沸器支撐層標高與塔底封頭標高保持一致，保證再沸器和塔向上膨脹量的基準點在同一水平面。

圖6 塔與再沸器平面布置圖

圖7 塔與再沸器立面布置圖

對于此類再沸器與塔管口通過管道直連的布置形式，應充分考慮再沸器的柔性設計，應保證熱膨脹力作用下再沸器足夠的滑動性，可使用聚四氟乙烯滑動墊板，同時在滑動的方向應將螺栓孔改為長圓孔。

2.9 塔頂冷凝器的布置實例

某變換裝置汽提塔塔頂冷凝器直接安裝在汽提塔頂部，汽提塔與塔頂冷凝器的布置見圖8。變換冷凝液中含有NH3、H2S、CO2、Cl-等，NH3與Cl-反應形成NH4Cl晶體，產生結垢腐蝕，Cl-和H2S反應生成HCl、FeS，而HCl會產生酸性腐蝕。這樣直連的布置方式可以有效縮小變換冷凝液腐蝕的范圍，避免塔頂出口管線的腐蝕。

圖8 塔與塔頂冷凝器立面布置圖

3 管殼式換熱器配管設計

3.1 配管設計一般要求

（1）管道布置不應妨礙管束或管殼的抽出、管箱端或封頭端的拆卸，并應留出空間，便于操作和檢修。

（2）換熱器周圍管道上的閥門、儀表和調節閥組應靠近換熱器的操作通道布置。

（3）換熱器并排布置時，冷卻介質和閥門宜按相同方式布置；換熱器兩側操作通道的寬度不應小于0.8m。

（4）當換熱器封頭端或管箱端設置拆卸吊柱時，管道布置應避開吊柱的活動范圍。

（5）管道不宜布置在換熱器軸線的正上方。

（6）換熱器周圍的管道標高應與管廊或相鄰設備的管道相協調。

（7）多臺并聯操作的兩相流換熱器，進口管道無控制閥時，管道應對稱布置。

（8）與換熱器相接的易凝介質管道或含有固體介質管道的旁路，旁路上的切斷閥應布置在水平管道上，并減少管道的積液。

3.2 臥式管殼式換熱器配管設計

某項目有一臺臥式浮頭式換熱器，對于臥式浮頭式換熱器，在配管設計過程中應考慮管箱端和浮頭端法蘭的拆卸空間，同時管箱端應留抽芯空間。該換熱器進出口流程如圖9所示。換熱器管程側設有旁路閥門，殼程側設有旁路調節閥。

圖9 浮頭式換熱器進出口流程圖

對此換熱器進行配管研究時，應盡量將管程側的管線和殼程側的管道分別放置在換熱器的兩側，從而避免旁路管線在換熱器上方及底部來回穿行，同時配管設計時還需滿足相關操作及檢修空間要求。該換熱器配管研究平面圖如圖10所示。

圖10 浮頭式換熱器配管研究圖

對于成組布置在構架內或地面上的臥式換熱器，可參照此換熱器的配管方式進行配管，這樣可達到換熱器配管方式的統一性、整體性、美觀性。

3.3 立式管殼式換熱器配管要求

立式管殼式換熱器在配管研究時需特別注意管程的程數及折流板的數量。當管程為單管程時，根據折流板的奇偶數，分為兩種情況。

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（1）折流板為奇數時，殼程管口在同側，如圖11（a）所示；

（2）折流板為偶數時，殼程管口在對側，如圖11（b）所示。當管程為雙管程時，殼程管口在同側，如圖11（c）所示。

某開工冷卻器：單管程，折流板數目為偶數。根據立式換熱器的配管要求，殼程側進出管口應該位于對側，實際項目中管線配管走向如圖12所示。

圖12 開工冷卻器配管走向

3.4 立式U形管換熱器工程實例

某項目一臺立式U形管換熱器，型式代號為BXU，殼程介質流向雙進雙出，管程為單管程，工藝流程如圖13所示。

圖13 BXU換熱器進出口流程圖

BXU型換熱器結構特點：殼程流體通過分布板對穿通過殼體，管程流體通過分程隔板實現進出。此BXU型換熱器設備裝配圖如圖14所示，管程換熱管布，管如圖15所示。

圖14 BXU換熱器設備裝配圖

圖15 BXU換熱器換熱管布管圖

通過對BXU型換熱器的結構分析可以得出殼程分布板的布置位置，決定了殼程進出口的方向；管程U型換熱管布管圖決定了管程進出口方向。基于以上兩個因素得出該換熱器管程與殼程的進出管口應該位于同側，在配管設計時應引起注意，該設備的管口方位如圖16所示。同時由于殼程為雙進雙出結構，為保證兩路進氣及出氣沿程阻力降相當，從N3b進N4b出的管道和從N3a進N4a出的管道應保證管線對稱布置。

圖16 BXU換熱器管口方位圖

圖17 BXU換熱器管道走向圖

3.5 管殼式廢熱鍋爐工程實例

廢熱鍋爐是一種利用生產過程中的高溫物流作為熱源來加熱生產蒸汽的換熱器。根據結構形式，廢熱鍋爐可分為管殼式、煙道式、雙套管式廢熱鍋爐。

某項目有一臺管殼式廢熱鍋爐，設備外形如圖18所示，對于該型式換熱器在設備布置時應注意U形管是否有抽芯要求，另外對于滑動端應考慮設置聚四氟乙烯墊板減小設備熱脹時對基礎產生的水平推力。

圖18 管殼式廢熱鍋爐外形圖

4 結束語

對于石油化工裝置中常見的管殼式換熱設備，在進行設備布置時應充分遵循相關設計規范，使換熱器布置滿足安全性、可靠性要求。在進行換熱器配管設計時，應充分了解換熱器的結構型式，換熱器的結構型式決定了設備操作檢修空間、管殼程管口方位等。通過實際工程案例的分析，總結出如下的設計經驗：

1）換熱器的布置宜充分考慮操作檢修所需空間。

2）臥式換熱器管殼程管線應盡量配置在換熱器兩側。

3）立式換熱器管殼程管口方位由折流板和換熱管布管方式決定，配管時不應隨意調整改動。