板殼式換熱器在大型氮肥裝置上的應用

中圖分類號:TQ051.5;TQ440.51　　文獻標識碼:B　　文章編號:1004-8901(2007)02-0046-02
　　山東華魯恒升化工股份有限公司的大型化肥裝置是以煤為原料,由國內自行設計和制造的30萬t/a合成氨的氮肥裝置,設備國產化率高達93.8%。這套裝置于2005年12月28日正式投料試車成功,證實了我國大型氮肥工業(yè)已具備自主知識產權的先進成套能力。
　　板殼式換熱器兼有管殼式換熱器和板片式換熱器的優(yōu)點,是一種新型高效換熱器,尚未有在大型化肥裝置上的使用經驗。我公司將其在首套國產化大型氮肥裝置上進行了應用。氨壓縮機最終水冷器和氨冷凍機冷凝器是我公司國產化技術改造項目中氨系統(tǒng)的2臺重要換熱設備,換熱面積分別為1620m2和1380m2,為減少設備投資和占地,選用了高效節(jié)能、結構緊湊、技術含量高的板殼式換熱器,由國內自行設計制造。
　　筆者擬以氨壓縮機最終水冷器為例,介紹板殼式換熱器在國產化大型化肥裝置氨系統(tǒng)上的生產應用情況?！?BR>　　結構特點
　　氨壓縮機最終水冷器設計參數(shù)見表1,設備結構見圖1。該設備由低合金鋼圓筒形外殼體和不銹鋼方形板束組成,板束可以從殼體拆出,以便將來維修或更換。被冷卻介質(氨)和冷卻介質(循環(huán)水)分別在板束與外殼體形成的板程、殼程空間內呈錯流、逆流換熱。為了補償由于板程、殼程之間介質高效換熱帶來的外殼體與板束之間的膨脹差,在板束右端設置了膨脹節(jié)。
                    
                    
    板束為全焊式結構,整板步進式模壓成形的0.7mm厚的LT型波紋板片在專用TIG自動焊機上組焊成板管,見圖2,再將板管組焊成板束。板殼式換熱器采用波紋板片作為傳熱元件,物料從兩波紋板之間的縫隙通過。板束四周焊有支撐板以增強板片的剛性。 
                   
    監(jiān)造與安裝　
    設備監(jiān)造板殼式換熱器制造難度大,焊接技術要求高,檢驗檢測程序復雜,投用風險高。為了確保氨壓縮機最終水冷器設備交貨質量和投用后長周期運行,公司派遣技術代表到制造單位對板片成形質量、板管組焊、板束組焊以及中間氣密、氨滲漏檢查、換熱器組裝和設備最終耐壓試驗等質量控制點進行了現(xiàn)場監(jiān)造[1]。　
    設備安裝
    (1)板殼式換熱器安裝時應避免設備因受到沖擊而損壞。吊裝就位后,應立即通過人孔進入設備,按要求松開膨脹節(jié)上的運輸固定裝置,使膨脹節(jié)恢復補償作用。
    (2)固定支座上的緊固件應擰緊,活動支座上的第1個螺母擰緊后應倒退1圈,然后用第2個螺母鎖緊,以使設備的活動端能在預埋基礎的滑板上自由滑動。
    (3)在設備制造廠進行耐壓試驗時,應注意板束是否按照壓差設計,試驗過程中應嚴格控制壓差。
    (4)板殼式換熱器出廠前,板程、殼程是充有氮氣保護的。由于工程中各臺設備的到貨時間不能都按安裝進度計劃的要求,氨壓縮機最終水冷器安裝后不能馬上配管、投用,故須對板程、殼程補充氮氣,以使設備保持微正壓:板程壓力0.2MPa,殼程壓力0.1MPa?！?BR>    設備開停車
    由于氨壓縮機最終水冷器板束按照壓差設計,在開停車及正常操作中,應嚴格按設計要求做到板程壓力不高于殼程壓力0.5MPa。開停車時,緩慢開關閥門,保證均衡升降壓,平穩(wěn)升降溫,以避免物料沖擊板束,防止因驟冷、驟熱導致板片異常變形。
    設備停車檢修進行蒸汽吹掃時,要求板程、殼程同時進行蒸汽吹掃。吹掃時應緩慢升溫,蒸汽吹掃壓力小于0.8MPa,溫度小于180℃,且保證板程壓力始終不高于殼程壓力0.5MPa。　
    運行效果
    氨壓縮機最終水冷器在國產化大化肥裝置中投用后,經歷了裝置運行初期的頻繁開停車,至今連續(xù)運行,使用效果良好,部分生產數(shù)據(jù)見表2。用作氨壓縮機最終水冷器的板殼式換熱器具有如下優(yōu)點。
    (1)傳熱效率高　LT型波紋板片具有“靜攪拌”作用,冷熱介質分別在“板管”內和“板管”間不斷改變流動方向,產生旋轉和扭轉,在很低的雷諾數(shù)下就能形成湍流,從而使流體內各部分的質點不斷迅速轉移位置。由于冷熱介質之間以板片為媒體進行的熱交換非常迅速,使介質來不及結垢,加之板片很薄,僅0.7mm,因而能得到較高的薄膜傳熱效率,是管殼式換熱器的2倍～3倍。
    (2)避免氣液兩相分離　氨壓縮機最終水冷器殼程存在氣氨、液氨兩相流,板殼式換熱器的“靜攪拌”作用,克服了管殼式換熱器由于介質折流“翻轉”造成的氣、液兩相分離。
    (3)結構緊湊　與管殼式換熱器相比,在完成同樣換熱任務的情況下,板殼式換熱器具有質量輕、體積小、占地面積少、節(jié)約鋼材等優(yōu)點。氨壓縮機最終水冷器采用的板殼式換熱器換熱面積取1620m2即可。
    如果按照管殼式換熱器設計,則換熱面積需要4018.4m2,使用同樣體積的管殼式換熱器需要2～3臺。因此使用板殼式換熱器可節(jié)約大量投資和設備安裝空間,并減少了操作費用。
    (4)壓力降小　雖然板殼式換熱器對于給定的流道面積來說其當量直徑較小,但“板管”內和“板管”間均為直通,殼程無折流板,由表2可以看出,氨壓縮機最終水冷器殼程壓力降僅為0.016～0.028MPa。由于板程出口沒有設置壓力表,暫時得不到具體的板程壓力降數(shù)據(jù),但目前從循環(huán)水操作狀況看,板程壓力降也較小。
    (5)可靠性高　傳統(tǒng)的板式換熱器以橡膠墊片密封,通常承壓在2.0MPa以下,耐溫在200℃以下,容易發(fā)生泄漏。板殼式換熱器板束各連接處均采用焊接結構,避免了可拆式板式換熱器需要很長的橡膠密封圈的缺點,且設有起增強板束剛性作用的支撐板,板束裝在由低合金鋼制成的圓筒形外殼體內,可以在高溫高壓下使用,提高了板殼式換熱器的安全可靠性。
    綜上所述,板殼式換熱器是既具有板片式換熱器傳熱效率高、結構緊湊、質量輕的優(yōu)點,又繼承了管殼式換熱器承高壓、耐高溫、密封性能好、安全可靠優(yōu)點的新型高效換熱器。
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