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高效板式換熱器在煉油廠的節(jié)能應(yīng)用

文檔作者：江鎮(zhèn)海		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月16日
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節(jié)能
ENERGY CONSERVATION
2010年第3期
(總第332期)
引言
高效板式換熱器在煉油廠的節(jié)能應(yīng)用
江鎮(zhèn)海
摘要：介紹高效板式換熱器的構(gòu)造特點(diǎn)，通過介紹在美國、瑞士、加拿大等國煉油廠的應(yīng)用，證明該換
熱器節(jié)能效果明顯，節(jié)省投入成本。
關(guān)鍵詞：煉油廠；板式換熱器；管殼式換熱器；節(jié)能
中圖分類號：TQ051．5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004—7948(2010)03—0060一02
在石油化工和煉油廠的換熱系統(tǒng)中，雖然管殼
式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，
在石油化工和煉油廠生產(chǎn)和使用中一直占據(jù)主導(dǎo)
地位，被廣泛應(yīng)用于精餾塔的塔頂冷凝器、冷卻器
和塔底再沸器等，然而近年來高效板式換熱器以其
節(jié)能減排的突出優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的認(rèn)同和應(yīng)用。
1管殼式換熱器結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化傳熱方法
采用低肋管、螺紋管、波紋管等代替常用換熱
器的普通光滑管，不僅增加換熱面積，而且利用粗
糙傳熱面強(qiáng)化邊界層湍流度提高傳熱系數(shù)，從而使
管程強(qiáng)化傳熱有了較大的突破。
低肋管是開發(fā)較早的換熱器之一，主要應(yīng)用于
強(qiáng)化沸騰傳熱，不僅換熱系數(shù)較高，而且能有效地
擴(kuò)大傳熱面積。光滑管的傳熱面積只是低肋管的
38％。螺紋管是一種由鋼管經(jīng)過環(huán)向滾壓軋制而
成的整體低翅片管，適應(yīng)于強(qiáng)化對流、冷凝傳熱。
內(nèi)、外螺紋管換熱器可提高傳熱系數(shù)，螺紋管的總
傳熱系數(shù)為光滑管的兩倍以上，一般在滿足生產(chǎn)的
情況下，2臺內(nèi)、外螺紋管換熱器具有3臺光滑管換
熱器的傳熱能力。對于相同結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器，
內(nèi)、外螺紋管的換熱面積是光滑管的1．5—2．5倍。
波紋管是管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變，造成
流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度的
湍流狀態(tài)，難以形成層流，使對流傳熱的主要熱阻
被有效克服，管內(nèi)、外傳熱被同時(shí)強(qiáng)化。波紋管傳
熱系數(shù)很高，一般為傳統(tǒng)管殼式換熱器的2～3倍。
在無相變換熱的情況下，一般殼程對流換熱系
數(shù)a。小于管程對流換熱系數(shù)a：，所以殼程進(jìn)行強(qiáng)
化傳熱的改進(jìn)，可以使總傳熱系數(shù)K有較大的提
高。一般采用的方法是管間支撐結(jié)構(gòu)的改善，為了
改進(jìn)強(qiáng)化流體在殼側(cè)的熱性能，相繼推出一些優(yōu)化
結(jié)構(gòu)，如異型隔板換熱器、螺旋隔板換熱器，折流桿
式換熱器等等。
管殼式換熱器管程和殼程的強(qiáng)化傳熱的各種
方法都是圍繞傳熱機(jī)理，從提高傳熱系數(shù)K，擴(kuò)大
傳熱面積A和增大傳熱溫差△f。三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)
的。
2高效板式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
高效板式換熱器在煉油廠的應(yīng)用，主要有三個(gè)
方面的優(yōu)點(diǎn)。
(1)傳熱系數(shù)量比較高。板式換熱器與傳統(tǒng)
的管殼式換熱器的主要技術(shù)差別是用波紋板形成
換熱器的溝槽。波紋板疊置并焊接在一起，形成類
似于螺旋形設(shè)計(jì)的三維流體的溝槽。這些溝槽能
造成很強(qiáng)的湍流和混合，使傳熱效率比傳統(tǒng)的管殼
式設(shè)備高出3—5倍。湍流強(qiáng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在換
熱器壁上的剪切力比較大，起到減少結(jié)垢的作用。
實(shí)際上，在相同的工藝操作條件下，與管殼式換熱
器相比，板式換熱器中的結(jié)垢速度可以大大降低。
(2)能夠多回收熱量。板式換熱器的另一個(gè)
重要的特點(diǎn)是可以非常接近于逆流操作，這樣就能
夠在單一的換熱器殼程中運(yùn)用溫度交叉的程序，使
冷流體被加熱到高于流體的出口溫度。與高效板
式換熱器傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，就能夠達(dá)到比
用傳統(tǒng)設(shè)備更高的溫度，這在熱量回收時(shí)特別重要。
在熱量回收時(shí)冷流體可以被加熱到非常接近于熱流
體的溫度，因此可以回收到盡可能多的熱量。
(3)能節(jié)省占地面積和安裝費(fèi)用。換熱面積
為297．3m2左右的高效板式換熱器只需要不到
1．49m2的占地面積，總占地面積(包括工作面積)
約為9．3m2。相應(yīng)的管長為6．1m的管殼式換熱
器的占地面積為14m2左右，包括工作面積和管殼
萬方數(shù)據(jù)
2010年第3期
(總第332期)
節(jié)能
ENERGY CONSERVATIoN
束牽引在內(nèi)的總占地面積為55．8rn2左右。高效
板式換熱器緊湊和高效率也降低了設(shè)備的凈重和
工作重量，這樣就可以進(jìn)一步降低用于基礎(chǔ)和鋼結(jié)
構(gòu)的安裝費(fèi)用。估算一般管殼式換熱器的安裝成
本是初期投資的3～3．5倍，而高效板式換熱器還
不到2倍。
3高效板式換熱器在煉油廠的應(yīng)用
煉油廠大約有50％的能耗用于把原油加熱到
所需要的加工溫度。通常采用換熱器串聯(lián)來回收
煉油廠各種產(chǎn)品中的熱量，然后再在加熱爐中用燃
料氣加熱到所需要的溫度。預(yù)熱系統(tǒng)的效率對燃
料氣的消耗量有很大的影響，因此對煉油廠的操作
成本有重大的影響。
管殼式換熱器在煉油廠應(yīng)用已多年，可是有幾
個(gè)限制因素使煉油廠的操作成本增加：一是管殼式
換熱器的效率低，通常要求有數(shù)百至數(shù)千平方米的
傳熱面積；二是管殼式換熱器的典型安排在單一的
殼程中不允許溫度交叉，為了有效地回收熱量需要
多個(gè)殼程串聯(lián)；三是管殼式換熱器的投資很高，特
別是加工因素或其他原因需要使用特別的合金鋼
材；四是安裝原油換熱系列需要的空間在給定的面
積之內(nèi)可能不可行；五是清洗管殼式換熱器很麻煩
而且費(fèi)用高，還可能造成非計(jì)劃停車。
在煉油廠的原油蒸餾裝置上應(yīng)用高效板式換
熱器，可使預(yù)熱系統(tǒng)與加熱原油有關(guān)的能量費(fèi)用節(jié)
省25％或者更多一些，其原因如下：一是板式換熱
器的效率高，用一定的換熱面積可以回收更多的熱
量；二是板式換熱器可以在單件設(shè)備中使溫度深度
交叉，每一步預(yù)熱都能節(jié)省空間并增加熱量回收；
三是使用合金鋼材，使板式換熱器的競爭優(yōu)勢大大
提高，用合理的成本可以回收到更多的熱量；四是
單一殼程的板式換熱器的清洗比相同工況下使用
的管殼式換熱器更快速一些。
加工能力為500萬t／a(10萬桶／日)的煉油廠
把原油預(yù)熱到3490C需要供給4億Btu／h的能量。
其中大部分熱能通過幾步就可以回收回來，從輕餾
分開始直到減壓塔底油用原油回收。最后一步預(yù)
熱在加熱爐中實(shí)現(xiàn)，用高效板式換熱器可以使加熱
爐的負(fù)荷大大降低。
美國一家大型煉油廠為了消除瓶頸，在原油預(yù)
熱系統(tǒng)中安裝9臺板式換熱器，于2008年正式投
產(chǎn)。通過夾點(diǎn)分析表明，安裝板式換熱器與常規(guī)管
殼式換熱器相比，原油進(jìn)加熱爐人口的溫度提高
37．8℃，可節(jié)省數(shù)百萬Btu單位的能量和相應(yīng)的工
藝操作費(fèi)用。
瑞士的一家煉油廠用常壓蒸餾塔頂?shù)闹别s不
腦油油氣預(yù)熱石油和鍋爐給水，1997年投產(chǎn)。該
煉油廠選用了4臺鈦合金高效板式換熱器，2臺并
聯(lián)2臺串聯(lián)。每臺板式換熱器重約25t，占地面積
約為14m2(包括工作面積)。工藝運(yùn)行的結(jié)果如
下：鍋爐給水從79，5℃上升至352．2℃；原油預(yù)熱
時(shí)，石腦油從59．2℃上升至102．2℃，原油從
113．20C上升至196．2℃。共回收熱量5600萬
Btu／h，相當(dāng)于每年節(jié)省燃料成本500萬美元、減少
排放130萬美元。高效板式換熱器的制造安裝成
本200萬美元，投資回收期大約不到4個(gè)月，其節(jié)
能效果由此可見。
加拿大一家煉油廠2002年正式投產(chǎn)一套生產(chǎn)
低硫汽油的加氫裝置于，需要供熱1400萬Btu／h。
為了降低能耗并減少CO：的排放，該煉油廠決定
不建加熱爐，用蒸汽供熱，蒸汽是來自催化裂化主
分餾塔塔頂?shù)挠蜌?，用鍋爐給水回收熱量發(fā)生的蒸
汽。該煉油廠要從催化裂化主分餾塔的塔頂油氣
中盡可能多地回收熱量，回收的總量要達(dá)到4800
萬Btu／h。管殼式換熱器不能滿足生產(chǎn)的需要，該
煉油廠選擇了8臺耐腐蝕鎳基合金鋼制造的高效
板式換熱器，其中4臺并聯(lián)，2×2臺串聯(lián)。工藝運(yùn)
行的結(jié)果如下：鍋爐給水預(yù)熱(回收熱量4800萬
BtWh)，塔頂油氣從11．90C上升到85℃，鍋爐給水
從16．2。C上升至163．2℃。冷卻(回收熱量3000
萬Btu／h)，塔頂油氣從85℃上升至189．2。C，冷卻
水從160．2。C上升至198．2。C。回收熱量4800萬
Btu／h，相當(dāng)于節(jié)省燃料費(fèi)用430萬美元、減少排放
廢棄物1 10萬美元。高效板式換熱器的制造和安
裝費(fèi)用約為700萬美元，投資回收期約為15個(gè)月，
節(jié)能效果非常明顯。
4結(jié)語
目前，已有1000多臺板式換熱器在世界上許
多國家的煉油廠中推廣應(yīng)用，都獲得良好的效果，
許多煉油廠正在把高效板式換熱器作為增加熱量
回收和實(shí)現(xiàn)長期節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的必要手段。
收稿日期：2010—02—15
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