楊少越，俞一帆，孫淑飛，崔殿樂(lè)

(中國(guó)空分工程有限公司，浙江 杭州 310051)

1 概 述

管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制造方便、生產(chǎn)成本低、操作彈性大、技術(shù)成熟、清洗方便、選材范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為了最為常用的熱交換設(shè)備之一，在LNG領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。管殼式換熱器有多種結(jié)構(gòu)，不同的工藝、環(huán)境、場(chǎng)地條件下選用的換熱器型式有著較大的差別，要使換熱器能在給定的實(shí)際條件下很好的運(yùn)行，必須在熟悉和掌握換熱器的結(jié)構(gòu)及其工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所給定的具體生產(chǎn)工藝條件對(duì)換熱器進(jìn)行合理的選型[1]。

HTRI軟件是一款常用的管殼式換熱器設(shè)計(jì)軟件。它采用了世界先進(jìn)的工藝熱傳遞及換熱器技術(shù)。其中的Xist模塊采用完全增量法將換熱器沿著管長(zhǎng)方向劃分為若干小的單元，根據(jù)每個(gè)單元對(duì)應(yīng)的溫度、壓力及流動(dòng)形態(tài)的改變，選用相應(yīng)的物性數(shù)據(jù)以及傳熱校正系數(shù)，并以此為根據(jù)進(jìn)行整個(gè)換熱器傳熱及流動(dòng)性能的核算[2]。

本文將根據(jù)給定的工藝條件，利用HTRI軟件進(jìn)行選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要分析設(shè)計(jì)中碰到的問(wèn)題。

2 工藝要求

某LNG項(xiàng)目中的干燥再生冷卻器，其工藝條件見(jiàn)表1。

3 換熱器結(jié)構(gòu)選型的原則

3.1 換熱器的常用類(lèi)別

管殼式換熱器常用的型式有固定管板式換熱器、U型管式換熱器、浮頭式換熱器等，這三種換熱器各自的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

注：循環(huán)水是已經(jīng)經(jīng)過(guò)處理的軟化水，再生天然氣也已經(jīng)經(jīng)過(guò)脫酸和干燥處理。

表2 三種常用的管殼式換熱器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.2 管殼程的確定

管程和殼程的確定往往從流體介質(zhì)的腐蝕性、毒性、溫度、壓力以及結(jié)垢情況等方面加以考慮，應(yīng)按下列原則處理：

1. 一般容易腐蝕的介質(zhì)選擇走管程，這樣可以降低對(duì)殼程材質(zhì)的要求；

2. 有毒的介質(zhì)走管程，以減少泄漏的機(jī)會(huì)；

3. 當(dāng)介質(zhì)的溫度或壓力很高，以致必須增加金屬厚度，或碳鋼改為合金鋼時(shí)，溫度或壓力高的走管程，這樣可以降低對(duì)殼程材質(zhì)的要求。

4. 容易結(jié)垢的介質(zhì)走管程，管程便于清洗污垢。

3.3 關(guān)于壓降

介質(zhì)流速較大時(shí)，換熱效果會(huì)更好，能減少設(shè)備的投資，但是壓降也較大，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)會(huì)增高。小壓降則正好與此相反。另外，流速較小會(huì)使換熱器更容易結(jié)垢，不利于換熱器的長(zhǎng)期運(yùn)行。所以，要在設(shè)備投資與運(yùn)營(yíng)投資之間須進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。一般液體在殼程的壓降為0.5～0.7 bar(注：1 bar=0.1 MPa)，對(duì)于粘度大的流體允許壓降要高點(diǎn)；氣體一般允許的壓降為0.05～0.2 bar,典型一些的都取為0.1 bar，具體視工況而定。

3.4 換熱管的選擇與排布

一般來(lái)說(shuō)換熱管的管徑越小換熱器越緊湊，造價(jià)也就越低。但小的管徑會(huì)導(dǎo)致大的壓降，特別是對(duì)渾濁、粘稠的液體來(lái)說(shuō)容易引起結(jié)垢。因此，在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，首先選用19 mm管徑來(lái)保證滿足允許壓降[3]。當(dāng)設(shè)計(jì)易結(jié)垢的流體換熱時(shí)，可選用25 mm及以上的管徑，這樣更方便清洗。

管子排布有四種方式：三角形、轉(zhuǎn)角三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形。三角形布管的傳熱系數(shù)要比正方形布管的傳熱系數(shù)大，但是三角形不便于機(jī)械清洗，轉(zhuǎn)角正方形比正方形的殼程傳熱系數(shù)高。對(duì)于管殼式換熱器，通過(guò)改變換熱管自身的表面形狀、尺寸、性質(zhì)來(lái)強(qiáng)化傳熱過(guò)程，是提高換熱器效率的一個(gè)重要途徑。

當(dāng)熱交換器的換熱面積較大而換熱管又不能太長(zhǎng)時(shí)，管板上就得排列較多的管子。為了提高流體在管內(nèi)的流速，通常在管箱內(nèi)設(shè)置分程隔板，將其分為若干個(gè)流程。

3.5 折流板的確定

對(duì)于單弓形圓缺型折流板，開(kāi)口高度宜設(shè)置為直徑的10%～45%，通常選取20%～30%比較合理。對(duì)于雙弓形折流板，建議開(kāi)口高度為直徑的15%～ 25%。

折流板間距影響到殼程流體的流速和流動(dòng)狀態(tài)，從而對(duì)傳熱速率產(chǎn)生一定的影響。最小的折流板間距為殼體直徑的1/5且不小于50 mm。建議的最大折流板間距為殼體直徑的1/2。并且折流板的間距最好使殼程的流通面積與缺圓部位的流通面積相等，這樣可避免在介質(zhì)通過(guò)缺圓的前后，由于流通面積的擴(kuò)大與收縮而造成無(wú)謂的壓力損失。

4 利用HTRI進(jìn)行管殼式換熱器設(shè)計(jì)

HTRI軟件有三種計(jì)算模式：

1. 設(shè)計(jì)計(jì)算(DESIGN)模式：根據(jù)給定的工藝條件，設(shè)計(jì)計(jì)算滿足工藝和用戶要求的限制條件并且在殼體直徑為最小的前提下，所需要串聯(lián)或并聯(lián)的換熱器臺(tái)數(shù)。

2. 校核(RATING)模式：已知熱負(fù)荷的換熱器校核計(jì)算模式。在給定工藝數(shù)據(jù)的條件下，軟件根據(jù)用戶給定的基本幾何參數(shù)，計(jì)算總傳熱系數(shù)、熱負(fù)荷預(yù)期值和壓降預(yù)期值。該模式下必須輸入的數(shù)據(jù)除了包括設(shè)計(jì)模式中的基本幾何參數(shù)外，還包括殼體的直徑、折流板間距、管程數(shù)等，既可以由用戶輸入數(shù)據(jù)，也可以省略由軟件計(jì)算得出。

3. 模擬計(jì)算(SIMULATION)模式：即未知熱負(fù)荷的換熱器校核計(jì)算模式。

從表1中提供的工藝溫度可知，換熱器冷熱流體的極端溫差較大，固定管板式換熱器首先被排除，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，且軟水和再生天然氣都是比較清潔的流體，所以選擇U型管換熱器最為合適，本例中選用BEU型換熱器。由于兩種介質(zhì)均無(wú)毒，且腐蝕性和污垢系數(shù)也都較小，所以在管殼程安排時(shí)主要考慮溫度和壓力的因素，由于再生氣進(jìn)口溫度以及壓力都比較高，宜走管程，循環(huán)水走殼程。因?yàn)椴恍杩紤]清洗，換熱管管徑選用19 mm，管間距25 mm，并采用三角形排列，以便獲得更大的傳熱系數(shù)。折流板選用單弓形圓缺型，開(kāi)口高度和間距根據(jù)計(jì)算情況進(jìn)行調(diào)整。

確定了以上原則后，用HTRI軟件進(jìn)行計(jì)算。先采用設(shè)計(jì)(DESIGN)模式進(jìn)行初步計(jì)算，物性數(shù)據(jù)從HYSYS中導(dǎo)入，設(shè)置熱流體走管程，并輸入污垢系數(shù)、TEMA類(lèi)型、管子外徑、間距和壁厚，其余參數(shù)默認(rèn)，點(diǎn)擊運(yùn)行后得到如下警告：

The inlet baffle spacing is less than the recomm-ended minimum spacing. Check the design. This con- dition may lead to problems when the exchanger is built. (進(jìn)口處的折流板間距小于建議的最小折流板間距，重新檢查設(shè)計(jì)，這種情況在制造換熱器時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。)

這條警告不能忽略，由于程序自動(dòng)給定的間距偏小，可以通過(guò)調(diào)整折流板間距解決。

WARNING-Shell entrance velocity exceeds critical velocity, indicating a probability of fluid elastic instability and flow-induced vibration damage. If present, fluid elastic instability can lead to large amplitude vibration and tube damage. (殼體的入口速度超過(guò)臨界速度，表明了流體彈性不穩(wěn)定和流動(dòng)引起的振動(dòng)損壞的可能性。如果存在，則流體彈性不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致大幅振動(dòng)和換熱管的損傷。)

這條警告也是不可忽略的，其原因是由于程序給定的殼程進(jìn)口管徑偏小，可以通過(guò)改變殼體類(lèi)型或者增大殼體進(jìn)口管管徑來(lái)解決。

Setting plan error: Channel design pressure is 710.5 and shell design pressure is 150.0 Maximum allowed is 625 psi. (裝配平面圖錯(cuò)誤：管程設(shè)計(jì)壓力為710.5而殼程的設(shè)計(jì)壓力為150.0所允許的最大值是625 psi。)

這條警告說(shuō)明管程設(shè)計(jì)壓力超出了軟件所允許的最大設(shè)計(jì)壓力，所以軟件無(wú)法出平面裝配圖，對(duì)于工藝計(jì)算沒(méi)有影響，可以忽略。

將軟件計(jì)算模式切換到核算(rating)模式，手動(dòng)輸入殼體直徑，折流板間距和切割率，管子長(zhǎng)度等，對(duì)換熱器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的原則包括但不僅限于以下幾點(diǎn)：

1. 調(diào)整Crossflow和window兩處的流速比在0.8～1.2，最好是接近1，原因在第3.5節(jié)“折流板的確定中”已闡述。

2. B流路的分率應(yīng)大于0.6。因?yàn)锽流路的分率越大，則換熱效果越好。

3. 單相系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量一般為0～5%，對(duì)于本文中的管殼式換熱器，因考慮到實(shí)際應(yīng)用中的工藝條件變化，余量取20%以上。

根據(jù)以上要求對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，最終結(jié)果如表3所示。

表3最終設(shè)計(jì)結(jié)果

Table 3 Final design results

5 小 結(jié)

本文通過(guò)某LNG項(xiàng)目中管殼式換熱器的選型舉例，簡(jiǎn)單分析了換熱器選型的原則，然后利用HTRI軟件進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)中碰到的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并確定調(diào)整的策略，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在運(yùn)用HTRI軟件進(jìn)行換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于管殼式換熱器種類(lèi)繁多，其結(jié)構(gòu)、性能差異很大，碰到的問(wèn)題也不盡相同，因此需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際使用條件來(lái)選擇合適的結(jié)構(gòu)型式。另外，在換熱器大型化、低溫化、低壓降和高效化設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)對(duì)換熱器的振動(dòng)、腐蝕、偏流以及污垢等這些特殊問(wèn)題予以特別關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉巍，等. 冷換設(shè)備工藝計(jì)算手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，2003.

[2] 謝萍. 換熱計(jì)算軟件HTRI在PTA生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用[J]. 聚酯工業(yè)，2015, 28(4): 1- 6.

[3] 王健. 基于HTRI的冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 山東：中國(guó)石油大學(xué)，2013.