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    紧凑、节能型蒸汽加热器在大型空分设备中的应用
    发布时间:2019-07-18 浏览量:1130

    1.概述
    蒸汽加热器是空分设备、石油化工、食品工业、冶金工业中应用非常广泛的设备,它主要是利用蒸汽冷凝时所放出的热量来加热所需的工艺气体。例如在空分设备中利用蒸汽加热器来加热污氮气,污氮气又用来对后续流程的分子筛进行加温活化。所以,蒸汽加热器性能的优劣直接影响到分子筛是否正常工作,从而对整个空分设备的正常运行产生非常重要的作用。
    当前,工业上常用的蒸汽加热器主要有两种型式:光管式和叠片式。这两种型式的蒸汽加热器虽然性能比较稳定,应用也比较广泛,但存在着不足,主要表现为:一方面,仅依靠蒸汽的冷凝放热来加热工艺气体,排放的冷凝水仍具有较高的温度,该部分热能没有得到充分利用,例如某空分设备中200℃的饱和蒸汽进加热器,排放的是200℃的饱和水,从结构原理上没有达到节能的效果,并且还可能对环境造成热污染。另一方面,产品外形尺寸较大,消耗材料较多,制造成本相对较高。鉴于这种情况,在激烈的市场竞争中,迫切需要开发一种制造成本较低,占地面积小,换热效率高,节能效果好的新一代产品,以提高企业的市场竞争力。
    鉴于这种情况,前几年,我们通过消化、吸收国外先进技术,开发出了中、小型的新一代紧凑、节能型蒸汽加热器,并获得了成功。它与老结构的产品相比,在相同工艺流量的情况下,具有结构紧凑、体积小、重量轻、节能效果好、设备安装方便、传热效率高等优点,通过实际运行,使用效果很好。
    随着国民经济的发展,钢材需求量的增加,空分设备的等级不断加大,现在,已经有“五万”、“六万”等级的空分设备投产,所以,与之配套的蒸汽加热器也势必要向大型化方向发展。
    本文所论述的,就是在已开发的中、小型的蒸汽加热器的基础上,如何将设备大型化,以配套大等级的空分设备之需要。
    2、工艺流程与型式
    大型蒸汽加热器,与中、小型的相比较,在工艺流程上是一致的,总体结构型式也相同,但在局部的结构处理上,有其特别的地方,为了满足大气量的传热性能,需要对某些结构做出特殊的处理。
    主要结构型式为:整体采用立式结构,上管板与壳体平盖固定,下管板是活动的,以便让换热管受热膨胀时自由伸缩。换热管采用整体轧片式,换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀。
    其工艺流程为:饱和蒸汽(或过热蒸汽)在垂直的翅片管内自上而下冷凝(或过热蒸汽显热冷却后再冷凝),冷凝后的饱和水经过汽液分离器后,在蒸汽压力的作用下流回到过冷区,在过冷区的翅片管内自下而上流动,进行显热换热。而被加热的气体则垂直于翅片管流动并横掠过管束,与管内的蒸汽进行热量交换,从而达到热量传递之目的。
    设置汽液分离器的目的,主要是为了分离掉蒸汽中的不凝性气体以及避免非设计工况时在换热管内产生的汽液界面,保证进入过冷区的管内介质完全为饱和水,减少汽液
    界面对换热管和焊接接头产生的腐蚀,以提高产品的使用寿命。
    (结构及工艺流程见图1)
     
    3、传热计算:
      传热计算的目的,是通过对换热管内、外膜传热系数的计算,求得总传热系数K,以确定所需的换热面积。
    对于大气量的蒸汽加热器,其传热的计算,必须充分考虑工艺气体的流道分布情况,使理论计算与实际工况更符合。我们通过对中、小型蒸汽加热器的大量计算,积累了比较丰富的经验,采用了茹卡乌斯卡斯的关联式并加以修正,得出了比较合理的数值。
    某“六万”等级空分设备配套的蒸汽加热器计算结果如下:
    (1)基本参数
    氮汽流量V=53200Nm3/h
    氮气进出口温度T1=34.6℃   T2=150℃
    氮气进口压力P=0.104Mpa(A)
    蒸汽压力P=1.0 Mpa(A)
    蒸汽进口温度t1=230℃(过热状态)
    冷凝水出口温度t2=65℃
    换热管材料:钢管10
    换热管规格:φ19x2轧片管
    (2)计算结果见表1:
    表1


    项目

    过热段

    冷凝段

    过冷段

    热负荷kJ/h

    370204

    6133507

    1492700

    蒸汽量 kg/h

    3355

    对数温差 ℃

    95

    66

    60

    传热面积m2

    92

    267

    118

    4、强度与结构
    4.1、强度计算
    该设备的筒体、封头及相关接管均可根据GB150-1998《钢制压力容器》、GB151-1999《管壳式换热器》的要求进行强度计算,对于开方孔的平盖和管板,我们对其强度进行有限元分析。由于大气量的蒸汽加热器其筒体直径较大,达到2.1m,在平盖上开了一个很大的方孔,方孔的四边特别在四个角,局部应力很大,所以,我们在四个角上,均采用了圆角过渡,大大降低了该处的应力集中,从而有效地改善了平盖的受力条件。
    4.2、局部结构的特殊处理
    (1)过冷侧管板的结构处理
    由于冷凝水的流量较小,在过冷段,管内流速很低,为了提高冷凝水的流速,强化换热,把过冷区设置成了三个管程,但由于过冷水的不断降温,每个管程的换热管壁温温差较大,因而产生了不同的膨胀量,导致不同管程的换热管与管板焊接接头产生很大的应力差,很容易产生裂纹而泄漏。(过冷区各个管程内的热量分布见图2)。
     
    对于过冷侧的管板而言,由于每个管程的温度不同,换热管的热膨胀也不同,所以在管板横截面上,受到的换热管的轴向力是不同的,各个管程的受力情况如图3。
    从总体结构来看,虽然下管板是浮动的,但从图3的受力分布可知,每个管程的受力不同,在管程I区,即a-b段,所受的轴向力最大。
    由于管板的约束作用,所以,在过冷区,不仅换热管的焊接接头存在着较大的轴向应力,容易产生焊缝泄漏(特别是在a-b段),而且,由于温差效应,管板内存在着较大的剪切和弯曲应力,其工况是非常差的。对于大型的蒸汽加热器来说,其横向宽度较长,一般均在1米以上,所以,由温差引起的轴向应力就更大,更易引起泄漏,影响了设备的使用寿命。
    为了减小温差带来的不利影响,改善过冷区的工况,使设备能长期稳定的运行,我们把过冷区的下管板分成了二块,以减少约束,把工况最差的管程I(即a-b段)变成独立的一块,这样,管程I变成了自由活动的区域,从而大大降低了热应力的影响,从实际使用的情况看,效果很好。
    (2) 工艺气进口锥管的结构处理
       从该换热器的结构特殊性来分析,由于换热管较长,而气体进口直径相对较小,虽然已对进、出口端作成锥管处理,但仍存在流经换热管的气体流量不均匀的问题,使得换热管中部的热负荷大于两端,影响了换热效率,导致换热性能的下降。对于大气量的设备来说,这一影响尤其明显。
    针对这一问题,设计时,为了使实际气流分布情况与所采用的计算模型相一致,提高计算结果与实际运行数据的吻合性,在进口锥管内增加了两块气体分配板(见图4),以起到分配气体的作用,弥补了由于结构原因造成的缺陷。

    (3)蒸汽进口腔的结构处理
       蒸汽在换热管内的分布情况,直接影响到计算的准确性及实际运行效果。对于大型蒸汽加热器,由于换热管数量较多,管板布管区域较大,蒸汽量较多,所以,蒸汽在进口管道内的流速较高,进口区域范围内换热管内的流速也较高,而在远离蒸汽进口区域的换热管内蒸汽流速较低,造成了蒸汽在换热管内的分布很不均匀,对工艺气体的实际换热产生了非常不利的影响。为解决这种现象,我们采取了二种办法来解决,一是在蒸汽进口区域内设置蒸汽分布板,二是采用了
    两个进气管箱,从而有效地改善了蒸汽的流动条件,使实际运行效果与所计算的传热效果更接近、更吻合(图5)。
    5、结语
    我们在开发了一系列中、小型紧凑、节能型蒸汽加热器并成功地运用于中、小等级的空分设备之后,现在又开发了大等级的蒸汽加热器,并用于中石化“四万八”及金陵、兖州“六万”大型空分项目上, 获得了成功,不仅产生了良好的经济效率,而且实现了蒸汽加热器的更新换代。
     

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