煉油加熱管殼換熱器

一、引言

在煉油工業(yè)中，加熱過程是眾多工藝環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，對原油及各種中間產(chǎn)品的溫度控制直接影響著后續(xù)的分離、反應(yīng)等工藝效果和產(chǎn)品質(zhì)量。管殼換熱器作為煉油加熱系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的熱交換設(shè)備，憑借其結(jié)構(gòu)堅固、適應(yīng)性強、處理能力大等優(yōu)點，在高溫高壓的煉油環(huán)境中發(fā)揮著不可替代的作用。

二、管殼換熱器在煉油加熱系統(tǒng)中的作用

（一）熱量傳遞核心設(shè)備

管殼換熱器通過管程和殼程中不同溫度流體的熱交換，實現(xiàn)熱量的傳遞和溫度的調(diào)節(jié)。在煉油加熱過程中，高溫熱源（如蒸汽、熱油等）在管內(nèi)流動，將熱量傳遞給管壁，再由管壁傳遞給殼程中的低溫原油或中間產(chǎn)品，使其達到所需的工藝溫度，為后續(xù)的蒸餾、裂化、改質(zhì)等工藝提供適宜的條件。例如，在某煉油廠中，管殼換熱器將高溫蒸汽的熱量傳遞給原油，使原油從40℃升溫至70℃，滿足了后續(xù)蒸餾工藝的要求。

（二）廢熱回收利用

煉油生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量高溫廢熱，管殼換熱器能夠有效地回收這些廢熱，將其用于預(yù)熱進入系統(tǒng)的低溫物料，從而減少對外部熱源的需求，降低能源消耗，提高能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。在催化裂化裝置中，管殼換熱器可回收排煙溫度為200—400℃的余熱，用于預(yù)熱原料油，使裝置能耗降低18%，年節(jié)約能源成本超千萬元。

三、影響管殼換熱器性能的主要因素

（一）設(shè)計參數(shù)

傳熱面積：傳熱面積是影響換熱器換熱能力的重要參數(shù)。傳熱面積越大，在相同傳熱系數(shù)和溫差條件下，能夠傳遞的熱量就越多。但過大的傳熱面積會增加設(shè)備的成本和占地面積。因此，需要根據(jù)實際工況和節(jié)能要求，通過精確的熱力計算，合理確定傳熱面積。例如，采用強化傳熱技術(shù)，如采用高效傳熱管（如螺紋管、波紋管等），可以在相同的傳熱面積下提高傳熱效率。

管程和殼程結(jié)構(gòu)：管程的管徑、管長、管數(shù)以及殼程的折流板形式、間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)會影響流體的流動狀態(tài)和傳熱效果。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以增強流體的湍流程度，提高傳熱系數(shù)，減少污垢沉積。例如，采用正三角形排列或轉(zhuǎn)角正三角形排列的管束排列方式，可以增加管外流體的湍流程度；合理設(shè)計殼程的折流板，采用弓形折流板、螺旋折流板等不同形式，可以改善殼程流體的流動狀態(tài)，減少死區(qū)和短路現(xiàn)象。

材質(zhì)選擇：煉油介質(zhì)通常具有腐蝕性，材質(zhì)的選擇直接影響換熱器的使用壽命和安全性。應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的成分、溫度、壓力等條件，選擇合適的耐腐蝕材質(zhì)，如不銹鋼、鈦材等。對于腐蝕性較強的介質(zhì)，可以采用雙相不銹鋼、鎳基合金等高性能材質(zhì)，或采用內(nèi)襯防腐層的方法延長設(shè)備使用壽命。例如，某煉油廠采用鈦材換熱器處理含氯原油，金屬離子溶出量低于0.01ppm，滿足了藥品生產(chǎn)衛(wèi)生級要求。

（二）流體特性

流體的密度、粘度、比熱容、導熱系數(shù)等物性參數(shù)會影響其傳熱和流動性能。例如，高粘度的流體流動阻力大，傳熱系數(shù)低，需要采取相應(yīng)的措施來改善其流動和傳熱效果。在處理高粘度原油時，可以適當提高流體的流速，增強湍流程度，提高傳熱系數(shù)，但要注意避免流速過大導致設(shè)備磨損和能耗增加。

（三）操作條件

溫度和壓力：溫度和壓力的變化會影響流體的物性參數(shù)和傳熱效果。在高溫高壓條件下，流體的傳熱系數(shù)可能會增大，但同時也會對設(shè)備的材質(zhì)和密封性能提出更高的要求。例如，在核電站蒸汽發(fā)生器中，采用U型管式換熱器，在壓力80MPa、溫度450℃的工況下實現(xiàn)高效熱交換，設(shè)備壽命達20年。

流量：流量的變化會影響流體的流速和湍流程度。適當?shù)牧髁靠梢员ＷC良好的傳熱和流動效果，但流量過大或過小都會對換熱器的性能產(chǎn)生不利影響。一般來說，管程流體流速宜取0.4—1.0m/s，易結(jié)垢的流體宜取0.8—1.2m/s；殼程流體流速一般為管內(nèi)流速的一半，黏度大的流體流速應(yīng)小于0.5—1.0m/s。

四、性能優(yōu)化措施與運行調(diào)整策略

（一）優(yōu)化設(shè)計參數(shù)

強化傳熱技術(shù)：采用高效傳熱管，如螺紋管、波紋管等，增加管內(nèi)流體的湍流程度，提高傳熱系數(shù)。例如，波紋管換熱系數(shù)較光管提升30%—50%。

改進管程和殼程結(jié)構(gòu)：優(yōu)化管程的排列方式，如采用正三角形排列或轉(zhuǎn)角正三角形排列，增加管外流體的湍流程度；合理設(shè)計殼程的折流板，采用弓形折流板、螺旋折流板等不同形式，改善殼程流體的流動狀態(tài)，減少死區(qū)和短路現(xiàn)象。通過CFD流場模擬優(yōu)化折流擋板布局，可降低殼程壓降15%，減少泵送能耗。

選擇合適的材質(zhì)：根據(jù)煉油介質(zhì)的特性，選擇具有良好耐腐蝕性和機械性能的材質(zhì)。對于腐蝕性較強的介質(zhì)，可以采用雙相不銹鋼、鎳基合金等高性能材質(zhì)，或采用內(nèi)襯防腐層的方法延長設(shè)備使用壽命。

（二）控制流體參數(shù)

通過調(diào)節(jié)流體的溫度、壓力和流量，使其保持在最佳的運行范圍內(nèi)。例如，適當提高流體的流速可以增強湍流程度，提高傳熱系數(shù)，但要注意避免流速過大導致設(shè)備磨損和能耗增加。在原油加熱過程中，根據(jù)原油的流量和溫度要求，合理調(diào)節(jié)蒸汽的流量和壓力，確保原油加熱效果。

（三）優(yōu)化操作程序

制定合理的開車、停車和正常運行操作程序，避免頻繁的啟停和大幅度的負荷變化。在開車前，應(yīng)對換熱器進行充分的預(yù)熱和排氣，防止產(chǎn)生熱應(yīng)力和氣阻；停車時，應(yīng)按照規(guī)定的程序進行冷卻和排液，避免設(shè)備因急冷急熱而損壞。

（四）實施在線清洗

定期采用在線清洗技術(shù)，如化學清洗、高壓水射流清洗等，去除換熱器表面的污垢，恢復其傳熱性能。在線清洗可以減少停車清洗的次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備的利用率。例如，在食品工業(yè)中，定期清洗可防止微生物滋生，確保產(chǎn)品衛(wèi)生安全。

五、運維管理中的常見問題及解決方法

（一）泄漏問題

原因分析：泄漏可能是由于密封墊片老化、損壞，管子破裂，殼體焊縫開裂等原因引起的。

解決方法：定期檢查密封墊片的狀況，及時更換老化或損壞的墊片；對管子進行定期檢測，如采用渦流檢測、超聲波檢測等方法，發(fā)現(xiàn)破裂的管子及時進行堵管或更換；對殼體焊縫進行無損檢測，及時發(fā)現(xiàn)并修復裂紋。

（二）流體流動引起的振動

原因分析：流體流動引起的振動可能是由于流速過高、折流板間距不合理、管子固有頻率與流體激振頻率接近等原因?qū)е碌摹?/p>

解決方法：合理控制流體的流速，避免流速過高；優(yōu)化折流板的設(shè)計，合理調(diào)整折流板間距；通過改變管子的支撐方式或增加阻尼裝置，調(diào)整管子的固有頻率，避免與流體激振頻率接近。

（三）污垢沉積

原因分析：在長期運行過程中，換熱管表面容易積累污垢，如灰塵、油污、水垢等。污垢的存在會增加熱阻，降低換熱效率，同時還會導致流體流動阻力增大，增加能源消耗。此外，污垢還可能對換熱管造成腐蝕，縮短設(shè)備的使用壽命。

解決方法：加強介質(zhì)的預(yù)處理，如采用過濾、沉降等方法去除介質(zhì)中的雜質(zhì)；定期進行清洗，根據(jù)污垢的類型和程度選擇合適的清洗方法和清洗劑；在換熱器入口處安裝過濾器或阻垢器，減少污垢的進入。

六、未來發(fā)展趨勢

（一）高效傳熱技術(shù)的研究與應(yīng)用

隨著能源需求的不斷增加和能源價格的上漲，提高換熱器的傳熱效率成為了研究的重點。未來將加大對高效傳熱技術(shù)的研究力度，如開發(fā)新型的換熱管結(jié)構(gòu)、采用納米涂層技術(shù)等，以提高殼管式換熱器的傳熱性能。例如，采用3D打印技術(shù)實現(xiàn)定制化流道設(shè)計，比表面積可提升至500㎡/m3，傳熱效率再提升15%。

（二）智能化控制技術(shù)的集成

借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)殼管式換熱器的智能化控制。通過在換熱器上安裝傳感器，實時監(jiān)測設(shè)備的運行參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，并利用智能控制系統(tǒng)對設(shè)備進行自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化運行，提高設(shè)備的運行效率和可靠性。例如，數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建設(shè)備虛擬模型，實現(xiàn)故障預(yù)測與健康管理，故障預(yù)測準確率提升至85%，非計劃停機減少60%。

（三）綠色環(huán)保材料的應(yīng)用

在換熱器的制造過程中，越來越注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。未來將采用更多的綠色環(huán)保材料，如可降解材料、低污染材料等，減少對環(huán)境的影響。同時，優(yōu)化換熱器的設(shè)計和制造工藝，降低能源消耗和廢棄物排放。例如，采用生物基復合材料，回收率≥95%，碳排放降低60%。

管殼換熱器在煉油加熱系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)、改進運行調(diào)整策略以及加強運維管理，可以有效提高管殼換熱器的性能，降低故障發(fā)生率，延長設(shè)備使用壽命，為煉油企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、提高經(jīng)濟效益提供有力保障。隨著高效傳熱技術(shù)、智能化控制技術(shù)和綠色環(huán)保材料等不斷發(fā)展，管殼換熱器將不斷改進和完善，迎來更加廣闊的發(fā)展前景。