急冷換熱器入口導流裝置的優化設計

孫建兵 劉韞硯 毛小亮

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

乙烯是重要的石化原料，其生產規模、產量和技術水平是衡量一個國家石油化學工業發展水平的重要標志［1］。 乙烯裝置是石化行業的“龍頭”裝置。 乙烯裝置的核心是裂解爐，急冷換熱器系統是乙烯裂解裝置中工藝性非常強的關鍵部分，在裂解裝置中主要承擔了兩個任務：其一，將裂解爐的高溫裂解氣通過急冷換熱器急冷，避免二次反應，使烯烴收率不致下降；其二，把裂解氣中的高位熱能以超高壓蒸汽的形式回收，降低能耗，提高乙烯裝置的經濟性。 急冷換熱器操作條件惡劣，制造工藝難度大，且隨著我國乙烯產業大型化的快速發展， 單臺裂解爐的能力增加，對急冷換熱器的處理量要求日益增加，對急冷換熱器的停留時間、換熱面積、出口溫度、周期要求日益嚴格。

針對線性急冷換熱器單臺設備處理量低的缺點，在傳統管殼式換熱器結構的基礎上，天華化工機械及自動化研究設計院有限公司研究開發了我國具有自主知識產權的撓性薄管板式急冷換熱器。 該急冷換熱器采用撓性薄管板結構，裂解氣走管程，冷卻水走殼程，殼體采用變徑結構，類似膨脹節，以最大限度地吸收換熱管與殼體之間的溫差應力［2］。

某廠乙烯裂解爐用撓性薄管板急冷換熱器出現換熱管泄漏故障，經查該換熱管漏點位于裂解氣入口側下管板以上第1 塊折流板上表面處，且觀察到該換熱管有一圈過燒痕跡，初步分析原因為裂解氣入口側下管板以上第1 塊折流板上表面積聚異物， 影響了換熱效果并存在腐蝕風險，最終導致換熱管過燒。

1 入口導流裝置

乙烯裂解爐用急冷換熱器入口結構示意圖如圖1 所示。 傳統的入口導流裝置結構示意圖如圖2 所示， 第1 塊折流板與下管板平行布置，流體流動方向如圖3 中紅色箭頭所示。 鍋爐給水（BFW）經過給水入口進入急冷換熱器，經導流筒向下流動， 然后沿下管板與第1 塊折流板之間的換熱管空隙流動，此處流速較高，大于2 m/s，流動到第1 塊折流板缺口處向上折流， 經過第1 塊折流板后，流動面積增大，流速降低，此時流體中攜帶的不溶于水的異物可能沉積在第1 塊折流板上表面，特別是第1 塊折流板與導流筒折角處，造成此處換熱管高溫氧化腐蝕，甚至發生泄漏。

圖1 急冷換熱器入口結構示意圖

圖2 傳統的入口導流裝置結構示意圖

圖3 入口導流裝置工作原理示意圖

2 導流裝置優化設計

2.1 優化設計方案一

在筒體上， 第1 塊折流板上方加設檢查孔（圖4），檢查孔可以是一個或者多個，具體根據實際情況確定。 化學清洗結束或大檢修時打開此檢查孔， 使用內窺鏡檢查第1 塊折流板上表面是否積聚異物，查看此處換熱管有無腐蝕情況。

圖4 急冷換熱器檢查孔結構示意圖

在下管板以上第1 塊折流板對應換熱管位置開大孔，即開孔直徑大于換熱管直徑。 鍋爐給水可以通過此開孔間隙直接流到第1 塊折流板以上，從而對第1 塊折流板上部形成沖刷，防止異物在第1 塊折流板上表面積聚。 同時， 在第1塊折流板與導流筒折角處開設導流孔，防止此處有異物積聚。

優化方案一入口導流裝置如圖5 所示，在第1 塊折流板上開設穿射孔，換熱管穿過穿射孔，且穿射孔的孔徑比換熱管外徑大4～8 mm。 一方面，換熱管與穿射孔之間形成第一間隙， 使得在第1塊折流板和下管板之間流動的部分水能夠通過第一間隙沖刷到第1 塊折流板的上表面， 將第1塊折流板上表面滯留的雜質沖掉，避免第1 塊折流板上表面的換熱管附近堆積雜質而導致換熱管泄漏。 另一方面，在換熱管與穿射孔之間設置第一間隙，使得沖刷到第1 塊折流板上表面的水能夠直接沖刷換熱管周圍的雜質，具有進一步清除第1 塊折流板上表面換熱管周圍雜質的效果，進一步避免第1 塊折流板上表面換熱管被腐蝕的問題。 又一方面，穿射孔的孔徑比換熱管外徑大4～8 mm， 既實現了對第1 塊折流板上表面的沖刷， 又使得第1 塊折流板保持良好的導流作用，不影響急冷換熱器的正常使用。 最后，在第1塊折流板靠近導流筒的位置， 開設一排導流孔，使得經過導流筒進入第1 塊折流板和下管板之間的水流能第一時間通過導流孔流入第1 塊折流板與導流筒折角處，防止此處堆積雜質而導致換熱管泄漏。

圖5 方案一入口導流裝置結構示意圖

方案一的具體實施方法并不唯一，第1 塊折流板上開設的穿射孔可以采用除圓形外的其他適用的形狀（如梅花形），同時可在穿射孔之間加設導流孔，如圖6 所示。 這樣既實現了對第1 塊折流板上表面的沖刷，又使得第1 塊折流板對換熱管具有良好的結構強度，保證急冷換熱器的安全使用。

圖6 第1 塊折流板開設梅花形穿射孔結構示意圖

2.2 優化設計方案二

在筒體上靠近第1 塊折流板缺口處加設檢查口。 第1 塊折流板帶角度布置， 異物可沿第1塊折流板在重力作用下，下滑至第1 塊折流板缺口處，從而下降到下管板邊緣處，再通過排污口排出急冷換熱器。

優化設計的急冷換熱器入口結構如圖7 所示。 折流板的一端與殼體的內壁之間留有缺口，另一端與導流筒固定連接，且折流板朝向缺口傾斜設置，使得折流板上表面的雜質能夠在重力作用下沿折流板的傾斜方向滑動， 并從缺口掉落，有效減少了堆積在折流板上表面的雜質，達到了清除折流板上表面雜質的效果，進而能夠緩解折流板上表面與換熱管連接處容易發生換熱管泄漏的問題；其次，折流板朝向缺口處傾斜，即折流板與導流板連接的位置較高，折流板靠近缺口的位置較低，該結構設置有利于使折流板與導流板連接區域的雜質朝向缺口滑動，能夠提高該區域雜質的清除效果，進而緩解該區域換熱管容易泄漏的問題；再次，折流板與水平線之間的夾角為2～10°， 使得在折流板上滑動的雜質具有一定的移動加速度的同時，還能確保折流板與其上部和下部其他部件之間的間距在一個較為合適的范圍，避免了折流板與其下部的部件間距過小以及折流板與其上部的部件間距過大的問題，確保急冷換熱器的良好使用。

圖7 方案二的急冷換熱器入口結構示意圖

優化方案二入口導流裝置結構如圖8 所示，在第1 塊折流板靠近導流筒的位置，開設一排導流孔， 同時在第1 塊折流板靠近筒體缺口的一側，開設兩排導流孔，這樣既能使經過導流筒進入第1 塊折流板和下管板之間的水流第一時間通過導流孔流入第1 塊折流板與導流筒夾角處，防止夾角處堆積雜質而導致的換熱管泄漏問題，同時又能沖刷第1 塊折流板的末端，避免由于重力下滑的雜質堆積在第1 塊折流板末端上表面和換熱管周圍的問題。

圖8 方案二的入口導流裝置結構示意圖

2.3 優化設計方案三

針對入口導流裝置中，第1 塊折流板與導流筒的結構可能形成半封閉區域， 存在流動死區，易造成雜質堆積的問題，在第1 塊折流板上表面位置設計特殊的排污裝置，將污垢或雜質及時排出，從而去除死區，防止雜質堆積腐蝕換熱管。

優化方案三急冷換熱器入口結構如圖9 所示，特殊設計的排污裝置結構如圖10 所示。 優化設計的排污裝置由3 部分組成， 包括排污管接頭、排污集箱管和檢修接口。 排污管接頭穿過筒體直接布置在第1 塊折流板的上表面，內側端口45°斜切，切口正對第1 塊折流板上表面，通過內外壓差形成虹吸效果，可以連續排出第1 塊折流板上表面的雜質，達到清除折流板上表面雜質的效果，進而能夠緩解折流板上表面與換熱管連接處容易發生換熱管泄漏的問題。 排污集箱管收集所有排污管接頭排出的帶有雜質的流體，并通過排污管排出急冷換熱器。 設置檢修接口可為檢修提供方便，化學清洗結束或大檢修時打開此檢修接口，使用內窺鏡檢查第1 塊折流板上表面是否積聚異物，查看此處換熱管有無腐蝕情況。

圖9 方案三的急冷換熱器入口結構示意圖

圖10 方案三的特殊排污裝置結構示意圖

3 結束語

乙烯裂解爐用急冷換熱器設計時要求殼程流體為干凈無雜質的液體，急冷換熱器使用前必須由專業的化學清洗公司采用專門的技術和設備進行化學清洗， 同時還要求定期檢測殼程水質，但在實際應用中，可能會進入一些雜質，那么現有的入口導流裝置就顯得有些不足了，筆者提出幾種行之有效的入口導流裝置優化設計方案，在實際工程設計中，可以根據實際工程需求及工期等單獨采用一種優化設計方案，也可以多種方案組合進行優化設計，以解決殼程流體中雜質進入急冷換熱器后無法排出，腐蝕換熱管甚至造成泄漏的問題。