化工裝置換熱器布置與配管

苗利寧

(華陸工程科技有限責任公司,陜西 西安 710000)

換熱器是進行熱量交換的典型工藝設備,廣泛應用于石油化工、動力、冶金等行業中,尤其是在石油加工和化工裝置中占有舉足輕重的地位。根據有關數據統計,僅煉油廠的換熱設備投資即占全部工藝設備總投資的35%～40%。隨著新技術的不斷出現,各種先進、高效的換熱器大量涌現,管殼式換熱器依仗自身的技術優勢,依然在換熱器市場中占有主導地位。

1 臥式換熱器分類

(1)固定管板換熱器(沒有抽芯)見圖1。

圖1 固定管板換熱器(沒有抽芯)

(2)U形管換熱器(有抽芯)見圖2。

圖2 U形管換熱器(有抽芯)

(3)BKU(釜式)型管換熱器(有抽芯)見圖3。

圖3 BKU(釜式)型管換熱器(有抽芯)

(4)浮頭式換熱器(有抽芯)見圖4。

圖4 浮頭式換熱器(有抽芯)

2 換熱器布置

2.1 布置要求

(1)換熱器設備優先考慮布置在地面上,但數量較多,占地面積受限制時可布置在構架上。

(2)成排布置的換熱器設備,支座基礎中心線宜對齊,當基礎間距不一致時,宜取一端基礎中心線對齊,常見的是固定端對齊。

(3)為提高換熱效率,兩種物料進行熱交換的換熱器宜布置在距離兩種物料進出口管道最近的位置。

(4)為有效節約占地面積、減少項目總投資,可采用將兩臺換熱器重疊布置在一起的方式,但對于殼體直徑≥1.6 m的換熱設備不宜重疊布置,操作壓力≥4 MPa的換熱器或兩相流介質,為避免振動影響,也不建議重疊布置。

(5)為方便操作維修,兩臺換熱器的凈距不宜小于0.8 m。

(6)常規浮頭式、U形管換熱器需要抽芯,兩端需朝向空曠地帶,便于抽芯維修,抽芯空間為管長加1.5 m。

(7)對于需要抽芯的換熱器,在布置時盡可能避免設備中心線正對框架或管廊立柱的中心線,避免因抽芯端部空間不足而發生碰撞。

(8)框架上布置尺寸較大的換熱器,在遇到框架長度無法滿足的情況下,需要兩端局部外挑平臺來滿足人員通行及維修空間。

(9)換熱器的安裝高度應保證管道距離平臺面或地面凈空高度≥150 mm,排凈閥門到地面或平臺面凈空高度需滿足≥100 mm的要求;某些用機泵抽吸的換熱器的安裝高度應高于泵的必需汽蝕余量(NPSH)r。特別要說明的是,對于個別換熱器下部應力管線,還要考慮彈簧的安裝空間。

(10)操作溫度≥物料自燃點或超過250 ℃的換熱器的上下側,在沒有不燃燒材料的隔板隔離保護的情況下,不應布置其他可燃介質設備。

2.2 布置步驟

(1)接收工藝專業流程圖(PFD)和設備數據表后,首先從數據表中設備類型一欄里判斷需要抽芯的換熱設備。

(2)按照工藝流程及上述布置要求繪制初版換熱設備布置圖,設備基礎高度可暫定為800 mm。

(3)根據工藝管徑大小確定換熱設備初始間距,最好為2m、2.5m、3m等定位形式。

(4)根據詳細設計工藝專業管道、儀表流程圖(PID)資料及設備工程圖來進一步優化設備間距及基礎高度。

3 換熱器配管

3.1 配管要求

換熱器的典型工藝流程見圖5。

圖5 換熱器的典型工藝流程

3.2 布置步驟

(1)在滿足工藝要求的前提下,管道布置不應影響設備抽芯,應追求人性化設計,特別注意不應妨礙操作和檢修通道。帶有閥門和調節閥組的管道應靠近換熱器一側布置,閥組盡量靠近設備,且與設備平行布置。

(2)對于無調節手段的單向流體進入并聯的冷換設備,管道布置宜對稱,出入口管道應按圖4(a)或圖4(b),不宜按圖4(c)布置,進出口匯集管不應縮徑。

圖6 并聯換熱器進出口管道布置

(3)與換熱器相接的含有固體顆粒介質或易凝介質的管道的旁路切斷閥應設在水平管道上,并防止形成死區積液。

(4)一般情況下,冷卻水從換熱器下部入口進入,特別要注意的是,在冷卻水總管埋地敷設時,冷卻水入口管道不宜與設備管嘴正對相接,一旦現場施工誤差,將會無法連接,此問題在實際過程中經常發生。

(5)對于在寒冷地區室外冷卻水的上下水管道,應設置排液閥和防凍連通管,以便在停車或者檢修時,將管內和設備里的存水排凈,工藝專業一般設置1’(25.4 mm)小管線保證上下水一直處于流動狀態,避免在停工或檢修維護時凍裂設備,通常推薦的配管方案見圖7。

圖7 上下水管道的排液閥典型布置注:(b)方案適用于換熱器自帶排凈閥門的情況。

(6)當換熱器鞍座上方有管口時,一般鞍座的下方結構專業會布置支撐梁,推薦配管方案見圖8(b)。需要說明的是,(a)方案會與換熱器支撐梁碰撞,(b)方案則不會。

圖8 換熱器上部出口管道布置

(7)當工藝管道尺寸與換熱設備管口口徑不一致時,需要用異徑管來連接設備管口,布置在水平管道上的異徑管應采用偏心(底平)(見圖9(a)),若采用同心異徑管,則應布置在垂直管道上,避免存液(見圖9(b))。

圖9 換熱器進口管道上異徑管布置

(8)管道不宜布置在換熱器軸線的正上方,以免影響換熱器的吊裝和檢修,調節閥組應平行于冷換設備一側布置。

(9)對于換熱設備的管道布置,只能出現一個高點、一個低點,要避免中間產生“液袋”或者“氣袋”,并在高點處設置放空,低點設置放凈;在換熱設備區域內,布置管道應盡可能避免管道交叉和繞行布置;盡量減少管道架空的層數,通常為2、3層為宜。

(10)布置工藝管道時應特別注意冷、熱流的流向,一般熱流由上而下,冷流自下而上。

(11)換熱器管道上的儀表組件安裝應方便操作和檢修,高度不宜大于2.5 m。

(12)對于換熱器端頭有管口的情況,管道布置應考慮能將管道拆除,以便設備的檢修(見圖10),在無法滿足下圖所示的方式時,會采用增加拆卸法蘭的方式解決維修問題。

圖10 換熱器端頭管道布置

(13)在管道熱應力滿足的情況下,需考慮管道尺寸最短和彎頭最少,減少不必要焊縫及焊接達因數,降低施工成本。

4 換熱器管道的支吊架設計

高溫管道的布置方案應該考慮足夠的自然補償能力,依據應力計算報告合理設置固定支架和導向支架,避免管道的反作用力集中到設備管口上。對于換熱器下方管口連接的管道,如果在垂直彎頭處設置剛性支架,則會限制換熱器管口和管道向下膨脹,會造成設備管口和管道支架處的熱應力非常大,甚至在出現檢修、水壓試驗時,管口處很難插入盲板的現象,最好按圖11(b)的方案設置。

5 換熱器的固定端設計

通常在靠近管廊側設計為換熱器的固定端,當換熱器與地下管道連接時,則需要在靠近地下管道側設計為換熱器的固定端(見圖12),對于溫度比較高的換熱設備,固定端的選擇要考慮熱管道的柔性問題。

圖11 換熱器下方管道布置

圖12 換熱設備固定端設置

6 結語

在化工裝置里,換熱設備作為常見設備之一,在滿足工藝要求的前提下,合理的設備布置與管道布置不僅能夠很好地保證裝置開車成功,還能夠方便工人檢修操作,且能夠大大降低投資成本、減少占地面積。合理規范的配管設計是提高換熱效率的先決條件,是保證工藝裝置安全運行的可靠保證。