節(jié)能型蒸汽加熱器與普通型蒸汽加熱器的對(duì)比分析

梁成坡 運(yùn)萌 秦留軍 翁小列 李小康 呂結(jié)

摘 要：節(jié)能型蒸汽加熱器是新型的蒸汽加熱器，與普通型蒸汽加熱器相比具有較大優(yōu)勢(shì)。基于此，本文以某40 000Nm3/h空分裝置中的蒸汽加熱器為例，從結(jié)構(gòu)、制造和降低污氮?dú)庾枇θ矫鎸?duì)比分析能型蒸汽加熱器與普通型蒸汽加熱器。

關(guān)鍵詞：節(jié)能型蒸汽加熱器；普通型蒸汽加熱器；空分設(shè)備

中圖分類號(hào)：TK175 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）14-0048-03

Comparative Analysis of Energy Saving Steam Heater and

Ordinary Steam Heater

LIANG Chengpo YUN Meng QIN Liujun WENG Xiaolie LI Xiaokang LYU Jie

（HNEC Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Abstract： The energy saving steam heater is a new type of steam heater， which has great advantages compared with the conventional steam heater. Based on this， this paper took the steam heater of a 40 000Nm3/h air separation unit as an example， and compared the energy type steam heater and the ordinary steam heater from three aspects of structure， manufacturing and reducing the resistance to nitrogen.

Keywords： energy saving steam heater；ordinary steam heater；air separation unit

在空分設(shè)備的分子篩純化系統(tǒng)中，分子篩由于吸附了空氣中的CO2和水等雜質(zhì)，因此會(huì)失去吸附能力。為了使分子篩恢復(fù)活性，在此系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)關(guān)鍵的換熱器，讓污氮通過(guò)該換熱器后，被加熱到一定溫度，高溫污氮進(jìn)入分子篩吸附器加熱分子篩使分子篩恢復(fù)活性。

這個(gè)關(guān)鍵的換熱器一般選用蒸汽加熱器或電加熱器，這兩種換熱器均能實(shí)現(xiàn)上述功能。但考慮到節(jié)能要求，蒸汽比電更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此，蒸汽加熱器在空分裝置中的使用比電加熱器更普遍。

目前，蒸汽加熱器一般泛指普通型蒸汽加熱器。而隨著外翅片管的不斷發(fā)展，高翅復(fù)合管[1]逐漸被應(yīng)用于蒸汽加熱器（節(jié)能型蒸汽加熱器）中，使得設(shè)備的制造和使用更加便捷、方便，流程設(shè)置更加節(jié)能?；诖?，本文主要對(duì)節(jié)能型蒸汽加熱器與普通型蒸汽加熱器進(jìn)行對(duì)比分析。

1 結(jié)構(gòu)比較

以某40 000Nm3/h空分裝置中的蒸汽加熱器為例，對(duì)節(jié)能型蒸汽加熱器和普通型蒸汽加熱器的部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明比較。

設(shè)計(jì)條件：管程介質(zhì)水、水蒸汽，工作壓力為1.3MPa，蒸汽溫度（飽和）；殼程介質(zhì)污氮，工作壓力為0.02MPa，進(jìn)出口溫度為10℃和180℃，流量為43 000Nm3/h。

1.1 普通型蒸汽加熱器

普通型蒸汽加熱器是一種臥式換熱器（見(jiàn)圖1），管程介質(zhì)為污氮?dú)?，殼程介質(zhì)為蒸汽，高壓介質(zhì)走管程，低壓走殼程。這種設(shè)計(jì)理念主要是從兩方面考慮的。①蒸汽在換熱過(guò)程中會(huì)發(fā)生相變，如果蒸汽走管程，不利于水的排出，也不利于防止水或水蒸汽泄露到污氮?dú)鈧?cè)。②管程走污氮，可以在保證傳熱的基礎(chǔ)上，較好地控制污氮?dú)鈧?cè)的阻力，又能保證設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。

本換熱器用于40 000Nm3/h空分裝置，采用兩臺(tái)設(shè)備并聯(lián)才能滿足工藝的要求。單臺(tái)普通型蒸汽加熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：設(shè)備直徑Φ1 400mm，長(zhǎng)度6 000mm，采用Φ16mm×1.5mm換熱管（光管），管子長(zhǎng)度3 658mm，換熱管數(shù)量4 001根，換熱面積808m2，設(shè)備重量約為14.7t。

由圖1可知，設(shè)備采用了4塊管板（內(nèi)管板2塊，外管板2塊），內(nèi)管板與外管板之間形成了一個(gè)不參與換熱的空腔，空腔上的接管始終處于常開(kāi)狀態(tài)，其作用就是防止內(nèi)管板以內(nèi)的蒸汽泄漏到管箱。

1.2 節(jié)能型蒸汽加熱器

節(jié)能型蒸汽加熱器是立式的換熱器（見(jiàn)圖2），管程介質(zhì)為蒸汽，殼程介質(zhì)為污氮?dú)猓瑲こ套叩蛪航橘|(zhì)，管程走高壓介質(zhì)。此換熱器的設(shè)計(jì)理念完全和普通型蒸汽加熱器不同，節(jié)能型蒸汽加熱器的換熱管采用高翅復(fù)合型外翅片管（鋼管鋁翅片）。殼程介質(zhì)為污氮?dú)?，氣體的傳熱相對(duì)液體的傳熱和相變介質(zhì)的傳熱較差，為了提高氣體的換熱性能，采用高翅復(fù)合型外翅片管作為換熱管，增加氣體在流動(dòng)過(guò)程中的擾動(dòng)，從而強(qiáng)化傳熱，提高換熱器的換熱效率。管程走蒸汽，采用立式結(jié)構(gòu)有利于水的排放，并且還能較好地防止管程的水泄漏到污氮?dú)鈧?cè)。

本換熱器用于40 000Nm3/h空分裝置，只需要1臺(tái)即可滿足工藝要求。單臺(tái)節(jié)能型蒸汽加熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：設(shè)備直徑Φ2 000mm，長(zhǎng)度6 900mm，采用Φ25mm×2.5mm換熱管（基管），翅片外徑57mm，管子長(zhǎng)度5 500mm，換熱管數(shù)量255根，換熱面積1 990m2，設(shè)備重量約為15.7t。

通過(guò)對(duì)比可以看出，節(jié)能型蒸汽加熱器比普通型蒸汽加熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且設(shè)備的重量更有優(yōu)勢(shì)。

2 制造比較

2.1 普通型蒸汽加熱器的制造

普通型蒸汽加熱器采用固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)，其芯體不可抽出，并且和普通的固定管板換熱器有所不同，其是雙管板換熱器。

普通的固定管板換熱器比U型管換熱器或填料函換熱器在制造上難度大。普通的固定管板換熱器是將折流板和拉桿等零件先固定在一側(cè)的管板上，然后再把筒體和兩端的固定管板連接在一起，最后通過(guò)管板上的管孔進(jìn)行串管。這就要求管板在和筒體連接過(guò)程中，要較好地控制兩側(cè)管板的同軸度，保證更順利地實(shí)現(xiàn)串換熱管。

對(duì)比普通的固定管板換熱器的同軸度要求，雙管板的固定管板換熱器的換熱管要同時(shí)穿過(guò)4塊管板，所以其對(duì)同軸度的要求更高，對(duì)換熱管的要求也更嚴(yán)格。此外，還要保證換熱管的圓度、換熱管的公差等。

普通型蒸汽加熱器的換熱管基本上都是德國(guó)進(jìn)口，換熱管材料是E235，符合的標(biāo)準(zhǔn)是DIN EN10305-1，所以換熱管的生產(chǎn)成本比較高。換熱管與管板連接是防止蒸汽泄漏到污氮?dú)鈧?cè)的關(guān)鍵，換熱管與管板的連接采用強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹[2]。內(nèi)管板與換熱管采用強(qiáng)度脹，外管板與換熱管采用強(qiáng)度焊。

為了防止蒸汽泄露到污氮?dú)鈧?cè)，要保證內(nèi)管板與外管板間留有一定的空腔，內(nèi)外管板之間的距離一般是80mm。但是，這增加了內(nèi)管板進(jìn)行強(qiáng)度脹的難度，對(duì)脹管器的要求也相應(yīng)提高，且單臺(tái)設(shè)備的換熱管數(shù)量多達(dá)4 000根。在一套40 000Nm3/h空分裝置中，需要采用2臺(tái)普通型蒸汽加熱器串聯(lián)才能滿足工藝要求，而此時(shí)換熱管的數(shù)量為8 000根，這使得制造周期更長(zhǎng)，成本更高[3]。

2.2 節(jié)能型蒸汽加熱器的制造

節(jié)能型蒸汽加熱器是立式結(jié)構(gòu)，管束可以從殼體內(nèi)抽出。與筒體連接的管板是圓形管板，與換熱管連接的管板是長(zhǎng)方形管板，圓形管板上開(kāi)有長(zhǎng)方形孔，可以讓制作好的管束自由進(jìn)入殼體。長(zhǎng)方形管板與圓形管板采用螺栓連接，防止殼程介質(zhì)泄露。

與普通型蒸汽加熱器結(jié)構(gòu)相比，節(jié)能型蒸汽加熱器的長(zhǎng)方形管板采用一種新的加工技術(shù)，把其加工成具有普通型蒸汽加熱器的功能，圖2中標(biāo)注的常開(kāi)口和普通型蒸汽加熱器上的常開(kāi)口的作用相同。

設(shè)備的換熱管數(shù)量與普通型蒸汽加熱器相比要少很多，單臺(tái)設(shè)備只有255根換熱管。管板與換熱管的連接采用強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹，靠近殼程的管板側(cè)與換熱管進(jìn)行強(qiáng)度脹，換熱管管頭與管板側(cè)采用強(qiáng)度焊。強(qiáng)度焊與強(qiáng)度脹部分之間有經(jīng)過(guò)特殊工藝加工成的空腔。如果強(qiáng)度焊失效時(shí)，蒸汽直接從此處排到大氣中。

由于換熱管數(shù)量較少，相應(yīng)的制作周期也大大縮短。此外，強(qiáng)度脹部分離管板外沿近，所以對(duì)脹管器的要求不是很高，制造成本大幅降低。

節(jié)能型蒸汽加熱器殼程的折流板和普通型蒸汽加熱器不同，普通型蒸汽加熱器的折流板是一體的，直接固定在殼體內(nèi)，只要折流板的設(shè)計(jì)和加工嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行就不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度不夠及殼程流體短路的現(xiàn)象。而節(jié)能型蒸汽加熱器的折流板不是一體的，一部分尺寸不能大于管板，否則就無(wú)法把管束推進(jìn)殼體；另一部分在殼體內(nèi)部和筒體焊接好，等管束固定好以后，再把兩部分的折流板連接好?？梢?jiàn)，節(jié)能型蒸汽加熱器折流板的制造與安裝難度較大。

通過(guò)上述比較可以看出：節(jié)能型蒸汽加熱器的制造周期短，制造難度相對(duì)小，成本也較低。

3 降低污氮?dú)庾枇Φ谋容^

換熱器的壓力直接關(guān)系到裝置的能耗問(wèn)題，對(duì)于蒸汽加熱器來(lái)說(shuō)，污氮?dú)獾倪M(jìn)口壓力很低，如果阻力過(guò)大會(huì)使裝置產(chǎn)生一系列問(wèn)題，如精餾塔的壓力過(guò)高等。由于結(jié)構(gòu)限制，普通型蒸汽加熱器的污氮?dú)庾枇σ话銥?～6kPa，而節(jié)能型蒸汽加熱器的污氮?dú)庾枇δ芎芎玫乜刂茷?～3kPa。

有效降低污氮?dú)獾淖枇?，可以起到降低上塔壓力，進(jìn)而降低下塔壓力（即空壓機(jī)排氣壓力）的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

與普通型蒸汽加熱器相比，節(jié)能型蒸汽加熱器在換熱效率、制造加工和制造成本等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)多套大型空分裝置運(yùn)行的實(shí)踐證明，節(jié)能型蒸汽加熱器的可靠性更高，節(jié)能效果比較明顯。

參考文獻(xiàn)：

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