劉敏，王永亮，程宇（安徽省化工設(shè)計院，安徽合肥230009）

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換熱器的配管設(shè)計

劉敏，王永亮，程宇
（安徽省化工設(shè)計院，安徽合肥230009）

摘要：換熱器是化工生產(chǎn)中確保工藝介質(zhì)達到特定溫度及提高能源利用率的主要設(shè)備。簡述了換熱器的主要用途及選用原則，介紹了換熱器的配管設(shè)計要求及注意事項，對立式、臥式和釜式三種再沸器的配管設(shè)計進行了闡述。

關(guān)鍵詞：換熱器；再沸器；管道布置

為滿足化工生產(chǎn)流程的要求，需進行各種不同方式熱量轉(zhuǎn)換的設(shè)計，如加熱、冷卻、蒸發(fā)及冷凝等。換熱器是用來實現(xiàn)上述熱量交換與傳遞的主要設(shè)備。通過換熱器的熱交換，熱量從溫度較高的流體傳至溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝流程規(guī)定的范圍，以滿足工藝條件的需求。

換熱器是化工、煉油、食品、輕工、航空、動力、原子能、制藥等工業(yè)部門大批量選用的一種通用設(shè)備。在化工企業(yè)中，換熱器的投資占總投資額的15％左右；在煉油企業(yè)中，換熱器的投資額約占總投資額的35％～40％。

1　換熱器的選用原則

換熱器的選用原則可歸納為以下幾個部分[1]：

（1）選定的換熱器需要滿足工藝過程控制的需求，流體經(jīng)過換熱器換熱以后需要達到工藝參數(shù)的要求后進入下一工藝過程。

（2）換熱器能在選定的工程環(huán)境中正常工作，能抵抗不良的工作環(huán)境及工藝介質(zhì)的腐蝕，具備合理的抗結(jié)垢能力。

（3）換熱器應(yīng)選擇維修簡單、清理方便，對易腐蝕、強振動等易損耗元件的更換方便，還應(yīng)滿足工程現(xiàn)場場地大小的需求。

（4）換熱器的選用還應(yīng)考慮到設(shè)備的加工成本、結(jié)構(gòu)型式等。

目前換熱器應(yīng)用較廣的是管殼式換熱器。雖然管殼式換熱器在結(jié)構(gòu)的緊湊性、傳熱強度及單位傳熱面的金屬消耗量等方面無法與板式或板翅式等緊湊式的換熱器相比擬，但是管殼式換熱器的操作溫度、操作壓力范圍比較大，制造成本較低，清洗相對簡單方便，處理量大，工作的可靠性高。另外，管殼式換熱器已在設(shè)計和加工制造方面積累很多的經(jīng)驗，建立相當完善的程序文件、可靠的設(shè)計及制造標準等，還可定制工藝設(shè)計需要的材料及尺寸，因此成為設(shè)計者的首選。

2　換熱器的配管設(shè)計[2　-4　]

（1）換熱器的管道布置必須滿足PID（piping and instrument flowdiagram）的要求，同時綜合考慮管系的柔性和經(jīng)濟性。在考慮管道布置時，大直徑和合金鋼管應(yīng)首先考慮管道尺寸最短、彎頭最少（指在熱應(yīng)力允許的范圍內(nèi)）。

（2）換熱器的管道布置還應(yīng)便于操作及維修，不應(yīng)妨礙操作及檢修通道。閥門及調(diào)節(jié)閥組管道應(yīng)靠近換熱器的操作通道布置，調(diào)節(jié)閥組與設(shè)備平行布置，如圖1所示。

（3）換熱器旁管道上的溫度計、壓力表、視鏡、閥門、液位計及液面調(diào)節(jié)器等需靠近檢修通道布置，便于操作和觀察。管道、閥門、儀表（包括調(diào)節(jié)閥的膜頭）等與換熱器的法蘭、筒體（包括底座或保溫層）間需要留有充足的操作空間，凈距不小于150mm。

（4）管道不得布置在換熱器的抽管檢修區(qū)域內(nèi)，不應(yīng)妨礙設(shè)備內(nèi)部的管束或是內(nèi)管的抽出，管道及支架不應(yīng)布置在管束的長度加1.5m的范圍內(nèi)（從管板算起）。抽出管束范圍上部布置管道時，不應(yīng)妨礙起運設(shè)備的操作，如圖2所示。管道布置不應(yīng)影響管箱及封頭端的拆卸。在管箱的上方或下方布置的管道，為方便管箱端的拆卸，需要設(shè)計帶可拆卸法蘭的短管，不可拆卸部分的管道設(shè)永久性支架，如圖3和圖4。

（5）換熱器封頭端或管箱端有拆卸吊柱時，布置管道應(yīng)避開吊柱活動范圍，如圖5。

（6）在換熱器殼體吊出檢修區(qū)域內(nèi)，其軸線的正上方不得布置管道。

（7）高溫管道的配管形狀還應(yīng)考慮到有足夠的熱補償能力，設(shè)置固定支架機導向支架，管道的反作用力不可集中在換熱器的管口上。此段管道必需經(jīng)過應(yīng)力分析以后才能確定最終的配管方案。

（8）換熱器的管道布置還應(yīng)該考慮到合理的支架，不能夠使管道、閥門及管件的重量都附加在設(shè)備的管口上。設(shè)備管口的受力不應(yīng)該超過管口的允許值。

（9）2臺或2臺以上并聯(lián)操作的換熱器的入口管道宜對稱布置，氣液兩相流的管道必須對稱布置，以保證均勻地達到工藝設(shè)計的傳熱效果。另外，在分支前的主管上還應(yīng)設(shè)置指定長度的直管段，實現(xiàn)熱量的等量分配，如圖6所示。

（10）布置氣液兩相流的管道應(yīng)使管道走向盡量短，不得存在液袋，管道支架還應(yīng)該防止管道的振動。

（11）單相流體進入并聯(lián)的換熱器，且沒有任何調(diào)節(jié)手段時，進出口的主管不得變徑，如圖7所示。

（12）兩相流體進入并聯(lián)換熱器，且沒有任何調(diào)節(jié)手段時，主管與分支管上下連接時，分支管不應(yīng)變徑，即分支管與主管管徑相同，如圖8所示。

（13）換熱器的冷卻水管的管徑≤DN150時，宜采取直接與地下總水管垂直連接；管徑≥DN200的冷卻水管，不得與總管直接連接，宜配置兩個90°的彎頭，彎頭間的水平管段上應(yīng)安裝閥門，如圖9所示。

（14）應(yīng)根據(jù)管道布置來確定換熱器的管口方位。為降低換熱器的安裝高度或方便接管，可以使用切線管口或彎管，但管口形式均應(yīng)便于流體的流動。

（15）換熱器管程及殼程的下部管口與其它管道或是閥門相連接時，需在管道最低點設(shè)置排液閥（若規(guī)定不宜設(shè)低點排液閥的管道除外）。當閥門裝在設(shè)備管口下方的垂直管段上時，設(shè)備管口與閥門間的管段上應(yīng)設(shè)置供設(shè)備排凈的排液閥，排液閥尺寸一般選為DN20，如圖10所示。

（16）檢修時需要抽出內(nèi)管的套管換熱器，配管應(yīng)設(shè)置配對的可拆卸法蘭，并應(yīng)考慮操作和維修時拆卸法蘭和緊固螺栓拆卸的空間。

3　再沸器的配管

（1）再沸器按結(jié)構(gòu)可分為立式、臥式和釜式三種。再沸器進出口管道的特點：溫度高、流速快、管徑大。管道布置應(yīng)考慮安裝、檢修及操作所必需的空間。管道應(yīng)盡量短、少拐彎、降低阻力等，在熱應(yīng)力允許范圍內(nèi)盡量簡化管道。

（2）立式再沸器的配管要求

①支撐在塔體上的立式再沸器的工藝介質(zhì)的出口管道與塔管口對接時，中間不應(yīng)再添加直管段。若儀表必須安裝設(shè)備管口上時，管口方位圖應(yīng)在設(shè)計前期就能夠確定。當再沸器支撐在獨立構(gòu)架上時，其出口管口與返塔管口之間需要添加一段直管段。再沸器的支架宜設(shè)置彈簧支座，還需要經(jīng)應(yīng)力計算后最終確定彈簧支座形式。

②再沸器的長徑比（L/D）大于6時，再沸器應(yīng)設(shè)置導向支架。

③蒸汽調(diào)節(jié)閥組、疏水閥組宜設(shè)置在再沸器的兩側(cè)，留出一定操作和檢修空間。

（3）臥式再沸器的配管要求

①當臥式再沸器安裝在地面上時，宜與管廊成90°布置，減少占地，且能使檢修和抽出管束方便，再沸器的安裝高度還必須滿足工藝的需求，最低安裝高度需滿足蒸汽調(diào)節(jié)閥和疏水閥組的安裝要求。當須提高再沸器安裝高度時，應(yīng)設(shè)獨立構(gòu)架，使其操作平臺與塔平臺相連通。

②對于滿足應(yīng)力分析條件下的再沸器工藝介質(zhì)的進出口管道，宜采用直管與塔體連接，盡量減少管道長度。若應(yīng)力分析必須通過增加管道長度來解決熱補償時，可采用側(cè)面塔管口的配管形式，如圖11所示。

③塔與再沸器間的管道，當管底凈空2.2m時，宜在塔與再沸器間留出約1m寬的人行通道。若塔和再沸器間的管道標高比較低，且無法滿足人通行時，在符合熱應(yīng)力條件下，再沸器盡可能靠近塔體布置。

④再沸器有2個升氣管口時，為使其管內(nèi)的流量均勻，升氣管道應(yīng)對稱布置。若實在不能滿足對稱布置時，應(yīng)盡量使這兩根管道的阻力降保持一致。

⑤若再沸器管程加熱介質(zhì)的進口管道上裝有調(diào)節(jié)閥組時，閥組宜布置在再沸器管程進口附近的地面或操作平臺上。

⑥再沸器抽出管的液體為飽和液體時，如因管道系統(tǒng)產(chǎn)生壓力降，液體產(chǎn)生閃蒸，引發(fā)氣液的兩相流，影響控制及測量儀表的操作精度。因此，考慮管道布置時，應(yīng)盡量降低其壓力降，且在測量儀表或調(diào)節(jié)閥的上游不能裝有垂直上升的管段，如圖12所示。

（4）釜式再沸器的配管要求

①蒸汽管道的調(diào)節(jié)閥組和工藝管道的調(diào)節(jié)閥組一般布置在釜式再沸器的兩側(cè)。

②液位計和液位控制閥毗鄰配置，便于利用控制閥的旁通閥進行手工調(diào)節(jié)液位。

③當液位計安裝高度超出正常操作范圍時，需為操作儀表設(shè)置平臺或爬梯。再沸器的管束抽出端需要留出抽管區(qū)域，如圖13所示。

④釜式再沸器的固定架位置取決于它與塔之間的相對位置，一般選擇靠近塔中心線的再沸器支架為固定架。再沸器底部標高盡可能與塔底封頭切線的標高接近，以減少調(diào)節(jié)再沸器與塔之間垂直管段膨脹所需的管道長度。所有前提是再沸器的安裝高度在滿足PID的要求下（由塔和釜式再沸器液面間的相對高度決定），其布置如圖14所示。

4　結(jié)束語

換熱器是化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一，正常運行的換熱器是保證化工企業(yè)正常生產(chǎn)的前提條件。規(guī)范合理的配管設(shè)計是保證換熱器正常運行，延長其使用壽命，提高其換熱效率的基礎(chǔ)條件。化工設(shè)計過程中要根據(jù)換熱器類型、換熱條件等因素合理進行配管設(shè)計，最終保證工藝介質(zhì)達到指定的工藝溫度，充分提高能源利用率，降低整個裝置的建設(shè)費用，保證生產(chǎn)的安全運行。

參考文獻

[1]中國石化集團上海工程有限公司.石油化工設(shè)備設(shè)計選用手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[2]化工裝置配管布置設(shè)計規(guī)定HG/T20549- 1998.北京：國家石油和化學工業(yè)局，1999.

[3]石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范SH 3012- 2011.北京：中國石化工程建設(shè)公司，2011.

[4]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.□

Piping Design of Heat Exchangers

LIU Min，WANG Yong-liang，CHENG Yu
（Anhui Design Institute of Chemical Industry，Hefei 230009，China）

Abstract:Heat exchangers are the main equipment for heating or cooling working fluids and improving the efficiency of energyutilization in chemical industry. This paper introduced the applications and selection principles ofheat exchangers. The piping design of heat exchangers and its points for attention were then described in detail. In the end，the piping design of reboilers was discussed，includingvertical，horizontal and kettle- type reboilers.

Key words:heat exchanger；reboiler；pipingdesign

作者簡介：劉敏（1980-），女，工程師，從事化工工藝設(shè)計工作，13866196154，lium@ahshgsjy.com。

收稿日期：2015- 10- 12

中圖分類號：TQ051.5

文獻標識碼：A

文章編號：1008- 553X（2016）02- 0080- 06

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.02.025