導(dǎo)讀

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器是高壓加氫裝置上常見(jiàn)的換熱器之一，20世紀(jì)70年代由美國(guó)Chevron公司和日本千代田公司共同開(kāi)發(fā)研究成功。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，其制造水平不斷提高，已在煉油、化工、煤氣化等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

纏繞管式換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊的高效換熱設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式不同于傳統(tǒng)的管殼式換熱器，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于煉油、化工、煤氣化、空分等領(lǐng)域。本文主要對(duì)兩種換熱器進(jìn)行對(duì)比，分析加氫裂化裝置高壓換熱器的選型。

加氫裂化裝置高壓換熱器應(yīng)用情況

加氫裂化裝置反應(yīng)系統(tǒng)典型的流程見(jiàn)下圖。

反應(yīng)進(jìn)料與氫氣混合后與反應(yīng)產(chǎn)物換熱，進(jìn)入加熱爐達(dá)到反應(yīng)所需溫度后進(jìn)入反應(yīng)器;反應(yīng)產(chǎn)物與汽提塔底油換熱后進(jìn)入熱高壓分離器;熱高壓分離器氣相先后與氫氣、冷低分油換熱，經(jīng)高壓空冷器進(jìn)入冷高壓分離器;冷高壓分離器氣相經(jīng)過(guò)脫硫后，進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)，而后一部分作為急冷氫，一部分經(jīng)反應(yīng)進(jìn)/出料換熱器返回反應(yīng)器。

上圖中有5臺(tái)高壓換熱器，E01~E05。不同的專利商設(shè)計(jì)的具體高壓換熱器臺(tái)數(shù)不同，但基本上都在上圖所示工藝位置。

①壓力降大小直接影響裝置能耗

加氫裂化裝置高壓換熱器大部分應(yīng)用于循環(huán)氫回路，此回路中壓力降的大小直接影響循環(huán)氫壓縮機(jī)的能耗。對(duì)于一次通過(guò)的加氫裂化裝置，循環(huán)氫壓縮機(jī)的能耗約占裝置總能耗的15%~30%。因此，高壓換熱器壓力降的大小對(duì)裝置能耗影響較大，較小的壓力降有利于降低裝置運(yùn)行成本。

②換熱器運(yùn)行條件苛刻

加氫裂化裝置為高壓、臨氫工藝環(huán)境，對(duì)設(shè)備、材料要求高，部分緊急事故的處理需要對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行0.7MPa/min或2.1MPa/min泄壓，此時(shí)高壓換熱器壓力快速下降，溫度上升較快，容易出現(xiàn)泄漏、火災(zāi)等事故。

③大型化增加制造難度

隨著近年來(lái)裝置大型化的迅速發(fā)展，高壓換熱器規(guī)格越來(lái)越大，加工難度增加。對(duì)于螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，直徑大于1600mm為大型，加工難度較大，管板容易變形、平整度要求苛刻，更容易出現(xiàn)內(nèi)漏問(wèn)題。近兩年已經(jīng)出現(xiàn)1800mm的螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，但制造難度更大，內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)也更大。

④氮、硫等雜質(zhì)含量高易腐蝕結(jié)焦

加氫裂化裝置進(jìn)料氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分在500~2000μg/g314，反應(yīng)產(chǎn)物中存在的氨將與硫化氫或極少量的氯化氫結(jié)合生成銨鹽。加氫裂化裝置銨鹽結(jié)晶溫度主要為160~210℃，反應(yīng)產(chǎn)物中氨含量越高結(jié)晶溫度越高，且氯化銨較硫氫化氨更容易結(jié)晶，需要采取間斷注水和連續(xù)注水溶解銨鹽，以防止垢下腐蝕、銨鹽沖刷腐蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)漏、管束穿孔等。加氫裂化裝置原料可為脫瀝青油、催化裂化柴油、焦化柴/蠟油、直餾柴/蠟油等，反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器操作溫度一般在190~440℃，反應(yīng)原料中的芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等極易導(dǎo)致高壓換熱器結(jié)焦，雜質(zhì)含量越高越容易發(fā)生結(jié)焦。結(jié)焦將使換熱效率降低、壓力降上升，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致裝置無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。

兩種換熱器的技術(shù)比較

加氫裂化裝置上常用的螺紋鎖緊環(huán)式換熱器從結(jié)構(gòu)形式上可分為高-高壓形式和高-低壓形式。螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的主體密封主要為兩大部分，一是管程側(cè)的密封，二是殼程側(cè)的密封。如裝置運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)管程泄漏或管程與殼程間泄漏，不必停工，緊固相應(yīng)內(nèi)圈或外圈壓緊螺栓，即可達(dá)到密封目的。

纏繞管式換熱器主要由殼體、芯體及其接管等組成。其中芯體比較復(fù)雜，由中心筒、換熱管、墊條、管卡等組成，見(jiàn)下圖。

換熱管緊密地繞在中心筒上，用平墊條及異形墊條分隔，保證管線之間的橫向和縱向間距，墊條與管子之間用管卡固定連接，換熱管與管板采用貼脹+強(qiáng)度焊的連接形式，管板與殼體/管箱之間焊接。

對(duì)于大型高壓加氫裝置纏繞管式換熱器，管程的出/入口法蘭一般可作為檢修人員進(jìn)入管箱的通道。 

情況見(jiàn)下表。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用概況

國(guó)內(nèi)加氫裂化裝置高壓換熱器大部分采用螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，但在開(kāi)工過(guò)程甚至長(zhǎng)周期運(yùn)行中存在一些問(wèn)題。

近些年，纏繞管式換熱器在加氫裝置的應(yīng)用逐漸廣泛，國(guó)內(nèi)使用纏繞管式換熱器的高壓加氫裝置在20套以上。首次使用纏繞管式換熱器替代傳統(tǒng)的高壓螺紋鎖緊環(huán)式換熱器為某1.5Mt/a加氫裂化裝置，具體為反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器、分餾塔進(jìn)料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器。該裝置于2006年12月建成中交，2007年3月開(kāi)車(chē)成功，目前運(yùn)行良好。

某煉油廠1.30Mt/a蠟油加氫裂化裝置原料為90%減壓蠟油加10%焦化蠟油，設(shè)計(jì)干點(diǎn)為550℃，實(shí)際運(yùn)行時(shí)原料干點(diǎn)約510℃。纏繞管換熱器應(yīng)用位置:反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E8101、冷低分油/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E8102、低溫?zé)崴?反應(yīng)產(chǎn)物換熱器E8103。

該裝置2011年首次開(kāi)工至今運(yùn)行良好，換熱效率高，反應(yīng)加熱爐低負(fù)荷運(yùn)行;反應(yīng)系統(tǒng)壓力降低，循環(huán)氫壓縮機(jī)出入口壓差在0.9~1.1MPa。2013年7月檢修，殼程光亮干凈未見(jiàn)結(jié)焦和堵塞情況，管程暢通。因此換熱器未進(jìn)行任何檢修處理。

某煉油廠3.84Mt/a蠟油加氫裂化裝置原料為100%減壓蠟油，設(shè)計(jì)干點(diǎn)為575℃，實(shí)際運(yùn)行原料干點(diǎn)為565~580℃，裝置開(kāi)工7個(gè)月內(nèi)原料的平均干點(diǎn)為572.4℃。最初設(shè)計(jì)應(yīng)用螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，后來(lái)改用纏繞管式換熱器，改用前后對(duì)比見(jiàn)下表。

總結(jié)該裝置開(kāi)工后7個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)，E01殼程壓力降、裝置負(fù)荷趨勢(shì)見(jiàn)下圖。

E03殼程壓力降、冷端溫差、熱端溫差等參數(shù)及裝置負(fù)荷趨勢(shì)見(jiàn)下圖。

7個(gè)月的運(yùn)行過(guò)程中，E01管程入口溫度約320℃，E03管程入口溫度約390℃，殼程介質(zhì)皆為反應(yīng)進(jìn)料。由圖3~4可見(jiàn)，換熱器壓力降未表現(xiàn)出增加趨勢(shì);冷端溫差、熱端溫差在負(fù)荷穩(wěn)定情況下也較平緩，未表現(xiàn)出換熱效率下降趨勢(shì)。目前該裝置連續(xù)運(yùn)行近16個(gè)月，換熱設(shè)備未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

經(jīng)濟(jì)分析

2019年，對(duì)于某2.0Mt/a柴油加氫裂化裝置，不同的制造商分別給出了纏繞管式換熱器和螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的方案及報(bào)價(jià)。根據(jù)此應(yīng)用實(shí)例分析，在相同的工藝位置，1臺(tái)纏繞管式換熱器替代2臺(tái)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器時(shí)，兩種方案的采購(gòu)費(fèi)用相差不大。但若以1臺(tái)纏繞管式換熱器替代更多臺(tái)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，采購(gòu)費(fèi)用可減少約15%~50%。

以表1中提到的某煉化公司柴油加氫裂化裝置為例，反應(yīng)產(chǎn)物/反應(yīng)進(jìn)料換熱位置實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)纏繞管式換熱器對(duì)于6臺(tái)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的替代。單臺(tái)纏繞管式換熱器的管/殼程壓力降分別減小70%和44%，顯著降低了裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)能耗。

對(duì)于高壓加氫裝置，反應(yīng)系統(tǒng)管道對(duì)材質(zhì)要求高，且管壁厚度大，材料及施工費(fèi)用較高。在同樣的換熱負(fù)荷下，應(yīng)用螺紋鎖緊環(huán)式換熱器時(shí)，因設(shè)備數(shù)量多，配管過(guò)程中各個(gè)換熱器之間的管件多、焊口多。應(yīng)用纏繞管式換熱器，設(shè)備數(shù)量明顯減少。如4.1中提到的2.0Mt/a柴油加氫裂化裝置，實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)纏繞管式換熱器對(duì)多臺(tái)螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的替代，粗略計(jì)算，此換熱流程局部的管道及管件的成本及施工費(fèi)用減少了70%。對(duì)于大型加氫裂化裝置，管道壁厚更大，其應(yīng)力也更大，管線路由復(fù)雜，管道材料及施工費(fèi)用的差別更加明顯。