3、国产大型板壳式换热器
3.1/ 国产大型板壳式换热器简介
由兰州石油机械研究所研制开发的大型板壳式换热器(专利号:ZL98249056.9)是具有国际先进水平、首创独特结构的全焊式板式换热器,已在炼油厂重整装置,化肥厂水解解吸装置及集中供热换热站等场合得到应用。产品于1999年5月8日通过中国石化总公司鉴定。兰州石油机械研究所于1999年研制成功大型板壳式换热器,同时为尽快将板壳式换热器产品转入产业化生产,投资数百万元初步建成了大型板壳式换热器生产线。
兰州石油机械研究所生产的板壳式换热器结构见大型板壳式换热器结构简图,由不锈钢波纹板组成的板束安装在壳体中,冷流由设备底部进入板束板程,由设备顶部流出;热流由设备上侧开口进入板束壳程,由设备下侧开口流出,两流体在板束中呈全逆流换热。同时,为解决热膨胀问题,在板束上下两端设置膨胀节。
大型板壳式换热器板束是由0.8mm不锈钢薄板压制成型后的板片叠合而成。首先组焊两块成型好的板片两侧纵向长焊缝(长度一般为6~10 m),称为板管。再将按设计要求数量的板管叠合组成板束,在板束的两端焊接板管与板管间的横焊缝。最后将板束与分隔连接板焊接,见大型板壳式换热器板束结构简图。
大型板壳式换热器结构简图
大型板壳式换热器板束结构简图
3.2/ 板束焊接工艺
不锈钢薄板的焊接对焊接技术、焊接设备和焊接工装的要求非常严格,国内外对于不同产品的薄板焊接采用了各种焊接工艺,常用有电阻缝焊、氩弧焊、微束等离子焊及激光焊等。
针对大型板壳式换热器生产用0.8 mm不锈钢薄板,我们对各种型式的焊接试件进行了试验,针对大型板壳式换热器板束的各种焊接结构,用氩弧焊机进行的板束各种形式焊缝的焊接工艺评定结果:焊后焊缝的强度及金相组织均满足使用要求,所焊试板的常温抗拉强度分别为?b=583 MPa(断于母材),?b=587 MPa(断于焊缝),接头与母材完全等强。按焊接工艺评定的规范焊接一组试件进行打压试验,当试验压力为11~13 MPa时,试件出现明显的塑性变形,而氩弧焊焊缝未出现泄漏、爆破。工艺评定与打压试验的结果证明,用自动氩弧焊对不锈钢薄板进行焊接的焊缝强度符合设计要求,并有足够的强度储备。
3.3/ 板束焊接专用自动氩弧焊机。
根据板束的结构特点,我们研制了专用自动氩弧焊机,用于板管长焊缝和板束的端头板管与板管之间的横向焊缝的焊接。专用自动氩弧焊机由可编程序控制器为核心,性能稳定,抗干扰能力强,在长时间、长距离的焊接过程中,焊接规范参数稳定,所焊焊缝成型美观且可靠,有效的保证了板管自动氩弧焊机焊接性能稳定可靠。
3.4/国产大型板壳式换热器特点:
单板最大尺寸可达1200 mm × 16000 mm;单台设备最大传热面积可达5000 m2;板片为顺人字形波纹,模压成型;板束在壳体内安装并与壳体相互支撑;与管壳式立式换热器相同的气液进料混合器;带膨胀节的管式连接;国际首创的可拆卸、可维修结构;板束操作压力(反压)P ≤ 4.5 MPa;板束操作压力(正压)同壳体操作压力,不受限制;操作温度 t ≤ 550 ℃
首台大型板壳式换热器克拉玛依石化厂二段混氢进料/重整产物换热器制造完成后,由国内有关的设计院及石油化工企业专家参加了国内首台大型板壳式换热器的出厂小结会,经过充分地讨论和论证,一致认为:产品结构设计合理、可靠,与国外同类产品相比,更加适合国内炼油化工厂的使用要求。
4、经济性能对比(对比表见表一~表四)
4.1/ 克拉玛依石化厂重整装置中二段混氢换热器板壳式与管壳式性能对比(表一):
采用板壳式换热器比管壳式换热器的传热面积节省250 m2,总高度减少7 m,投资可节省12.5万元。由于板壳式换热器比列管式换热器的传热效率高,可以多换热。因此可相应地减少加热炉的热负荷,预计每年可节省加热炉燃油费、电费等35万元。
4.2/ 30万吨/年重整进料换热器板壳式与管壳式性能对比(表二):
采用板壳式换热器与管壳式换热器相比较,换热面积节省400m2,设备总高度减少了11m,可多回收热量0.77MW。按年操作时间8000hr,燃料低热值41870kJ/kg,燃料费530元计算,板壳式换热器与管壳式换热器相比,每年节省燃料529.64吨,每年节省燃料费28万元,节约空冷器设备费36万元,每年节约空冷器电费18万元,设备本身重量减少15吨。
4.3/ 40万吨/年重整进料换热器板壳式与管壳式性能对比(表三):
采用板壳式换热器与管壳式换热器相比较,换热面积节省1300m2,设备总高度减少了13m,可多回收热量1.3MW。按年操作时间8000hr,燃料低热值41870kJ/kg,燃料费530元计算,板壳式换热器与管壳式换热器相比,每年节省燃料894吨,每年节省燃料费47.4万元,节约加热炉投资47万元,节约空冷器设备费68万元,每年节约空冷器电费34万元,设备本身重量减少40.6吨。采用国产板壳式换热器与进口板壳式换热器相比,节约设备投资达600万元以上,可以为国家节约外汇(国外报价为95万美元,国产板壳式换热器价格为440万人民币)。
4.4/ 60万吨/年重整进料换热器板壳式与管壳式性能对比(表四):
采用板壳式换热器与管壳式换热器相比较,换热面积节省1550m2,设备总高度减少了19m,可多回收热量0.9MW。按年操作时间8000hr,燃料低热值10007kcal/kg,燃料费530元计算,板壳式换热器与管壳式换热器相比,每年节省燃料619吨,每年节省燃料费32.8万元,节约加热炉投资50万元,节约空冷器设备费42万元,每年节约空冷器电费21万元,设备本身重量减少60.4吨。
以上对比结果表明,板壳式换热器节能效果非常显著。
5、与国外同类产品对比
5.1/ 结构对比(对比表见表五)
与国外同类产品相比,结构为可拆,更加适合国内炼油化工厂的使用要求。
5.2./ 经济性对比
同样以一个40万吨/年催化重整装置进料换热器为例,采用国产板壳式换热器与进口板壳式换热器相比,节约设备投资达数百万元以上。同时,可以为国家节约外汇。若再考虑运费和制造周期,其经济效益十分显著。
6、结束语
大型板壳式换热器的研制成功,不仅是兰州石油机械研究所与中国石化集团北京设计院、中国石油克拉玛依石化厂三方合作的结晶,也标志着国产大型板壳式换热器已进入产业化阶段,各项大型板壳式换热器有关的设计技术、生产工艺及检验标准经过实际生产的考验,已经基本成熟。目前,国外大型化装置所用的板壳式换热器单台传热面积一般要超过2000m2。如此规模的板壳式换热器与管壳式换热器相比的优势就相当明显。我所正在积极进行以下工作:进一步研制完善满足国内大型化装置所用大型板壳式换热器产品(换热面积2000~5000m2),开发适应炼油化工装置不同工艺与生产要求的系列产品;完善制造工艺、加工装备及生产环境,提高制造能力及产品质量,力争使国产大型板壳式换热器的生产、产品性能、质量等达到并超过国外同类产品水平,为我国石油、化工工业的发展作出更大贡献。
表一、克拉玛依石化厂重整装置中二段混氢换热器板壳式与管壳式性能对比表
类别 |
传热面积 |
热流进/出口温度 |
冷流进/出口温度 |
平均温差 |
热负荷 |
m2 |
℃ |
℃ |
℃ |
MW |
板壳式换热器 |
350 |
478/120 |
92.26/426 |
33.04 |
4.92 |
管壳式换热器 |
600 |
478/130 |
92.26/410 |
51.39 |
4.66 |
类别 |
阻力降 |
传热系数 |
设备直径 |
板片/换热管长 |
设备高 |
设备重 |
MPa |
W/m2·oK |
m |
m |
m |
t |
板壳式换热器 |
0.056 |
590 |
1.0 |
6 |
11 |
13.8 |
管壳式换热器 |
0.047 |
200 |
1.0 |
12 |
18 |
28 |
表二、30万吨重整进料换热器板壳式与管壳式性能对比表
类别 |
阻力降 |
传热系数 |
设备直径 |
板片/换热管长 |
设备高 |
设备重 |
MPa |
W/m2·oK |
m |
m |
m |
t |
板壳式换热器 |
0.056 |
590 |
1.0 |
6 |
11 |
13.8 |
管壳式换热器 |
0.047 |
200 |
1.0 |
12 |
18 |
28 |
类别 |
阻力降 |
传热系数 |
设备直径 |
板片/换热管长 |
设备高 |
设备重 |
MPa |
W/m2·oK |
m |
m |
m |
t |
板壳式换热器 |
0.068 |
865.6 |
1.4 |
6 |
9.3 |
20 |
管壳式换热器 |
|
266.5 |
1.2 |
16 |
20 |
35 |
表三、40万吨重整进料换热器板壳式与管壳式性能对比表
类别 |
传热面积 |
热流进/出口温度 |
冷流进/出口温度 |
平均温差 |
热负荷 |
m2 |
℃ |
℃ |
℃ |
MW |
板壳式换热器 |
2000 |
527/100 |
87.3/486 |
39.5 |
27.2 |
管壳式换热器 |
3300 |
527/110 |
87.3/471.3 |
51.4 |
25.9 |
类别 |
阻力降 |
传热系数 |
设备直径 |
板片/换热管长 |
设备高 |
设备重 |
MPa |
W/m2·oK |
m |
m |
m |
t |
板壳式换热器 |
0.074 |
451.9 |
2.2 |
8 |
14 |
55.9 |
管壳式换热器 |
0.058 |
205.5 |
1.6 |
20 |
27 |
96.5 |
表四、60万吨重整进料换热器板壳式与管壳式性能对比表
类别 |
传热面积 |
热流进/出口温度 |
冷流进/出口温度 |
平均温差 |
热负荷 |
m2 |
℃ |
℃ |
℃ |
MW |
板壳式换热器 |
1800 |
484/110 |
91.2/439.63 |
35.68 |
36.99 |
管壳式换热器 |
3350 |
484/120 |
91.2/430.8 |
49.92 |
36.09 |
类别 |
阻力降 |
传热系数 |
设备直径 |
板片/换热管长 |
设备高 |
设备重 |
MPa |
W/m2·oK |
m |
m |
m |
t |
板壳式换热器 |
0.076 |
782.8 |
1.8 |
7 |
11 |
59.6 |
管壳式换热器 |
0.12 |
237.4 |
1.8/2.2 |
22 |
29.8 |
120 |
表五、与国外同类产品对比
类别 |
管束拆卸维修 |
板片成型方式 |
板管焊接方式 |
复杂程度 |
国产板壳式换热器 |
可拆 |
模压成型 |
氩弧自动焊 |
结构简单 |
国外板壳式换热器 |
不可拆 |
爆破成型 |
氩弧自动焊/滚焊 |
结构复杂 | |