换热和冷却系统

1第七节换热和冷却系统工艺设计一、换热和冷却的流程设计1．概述换热和冷却工艺流程是油气集输工艺流程设计的重要组成部分。换热和冷却的流程设计是要在经济合理的条件下，最大限度的回收热量，也就是考虑如何合理安排换热流程。在安排换热流程的同时，对温度等操作条件也应随之加以确定。当主要的目的是加热冷流时，一般总是先和温度较低的流体换热，然后再和温度较高的流体换热，这样总的平均传热温差较高。2．介质流程确定确定介质那一个走管程，那一个走壳程，应根据流体性质，从有利于传热，减少设备腐蚀，减少压力降和便于清洗选定。在确定时应考虑以下因素：1）有腐蚀性介质走管程，以免走壳程时换热器的管程和壳程同时受腐蚀。2）有毒性的介质走管程，泄漏机会较少。3）压力高的介质走管程，以免壳体受压而增加厚度，多耗钢材，造价增大。4）不清洁的易于结垢的介质走管程，便于清洗。壳程不便于清洗。5）粘度大或流量小的走管程，因可采用多管程获得较大的流速，有利传热。6）如果两种介质传热系数相差较大时，宜将膜传热系数高的介质走壳程。壳程雷诺数100即为湍流状态，可减少压降。7）在水冷却器中，一般均为水走管程，被冷却的介质走壳程。8）气相冷凝走壳程（无管壳式换热器的那种折流板）。已有定型的冷凝器，有相变的一方走壳程。3．流速流速是换热器计算的一个重要参数，它影响换热器的流通面积。增加流速有利于传热，同时也增加了压降。因此，根据经验在不同的操作条件下确定合理的流速。此外，为了避免由于流速过高而造成设备的磨损。根据经验确定的换热器内的流速范围可参考表2-3-29的数据：表2-3-29换热器内的参考流速范围介质管程流速（m/s）壳程流速（m/s）循环水新鲜水低粘度油高粘度油1.0~2.01.0~1.50.8~1.80.5~1.50.5~1.50.5~1.50.4~1.00.3~0.8表2-3-30为不同粘度的液体在换热器中的最大流速。2表2-3-30不同粘度的液体在换热器中的最大流速液体粘度（mPa·s）最大流速（m/s）15001000~500500~100100~3535~110.60.751.11.51.82.4流速的确定，既要有利于传热，又要使换热器的压降在合理的范围内。4．压力降对流体的压力降，可参考表2-3-31的数据：表2-3-31合理压力降参考值操作情况操作压力（kPa）合理压力降（kPa）负压操作低压操作低压操作中压操作高压操作P=0~10（A）P=10~70（G）P=70~1000（G）P=1000~3000（G）P=3000~8000（G）ΔP=P/10ΔP=P/2ΔP=35ΔP=35~180ΔP=70~250在选定具体的换热器后，要对流体的压力降进行详细核算。5．换热终温的确定确定换热终温实际就是怎样合理利用热源，或某热能有无必要回收等，直接影响整个工艺流程。换热终温的确定，影响到热强度和换热效率。在热流进口温度和冷流出口温度相等的极限情况下，热量利用的效率即换热效率虽然最大，但热强度为最小，需要的传热面积为最大。另外在决定换热终温时，一般不希望出现温度交叉现象，即不希望冷流的出口温度高于热流的出口温度，否则会出现反热现象。为合理确定换热终温，可参考以下数据：见图2-3-63：1）热端的温度差≮20℃。2）冷端的温差分3种情况：⑴两种流体换热时，在一般情况下端点温度差≮20℃。T1热流⑵两种流体换热时，若热流尚需进一步冷却，冷流尚需t2T2进一步加热，则冷端的温度差≮15℃。冷流⑶流体用水或其它冷媒冷却时，冷端温度差≮5℃。t13）海水用于冷却时温升≮10℃。图2-3-63温度差计算示意图二、冷换设备类型及其选择1．冷换设备的类型及适用范围海上常用的冷换设备有：管壳式换热器、套管式换热器、平板式换热器和空冷器。1）管壳式换热器3管壳式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件构成。管束安装在壳体内，两端固定在花板上。见图2-3-64。管壳式换热器在所有换热器中使用最广泛。优点是单位体积设备所能提供的传热面积较大，传热效果也较好。由于结构坚固，而且可以选用的结构材料范围也比较宽广，故适应性较强，操作弹性较大。尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。图2-3-64管壳式换热器2）套管式换热器将两种直径大小不同的直管装成同心套管，并可用U形肘管把许多段串连起来，每一段直管称作一程，即为套管式换热器。见图2-3-65。进行换热时，两种流体都可达到较高的流速，从而提高传热膜系数，而且两流体可始终以逆流方向流动，平均温差亦为最大。由于结构简单，能耐高压，应用灵活，可根据需要增加或拆减套管段数。适用于流量不大，所需传热面积不多的场合。图2-3-65套管式换热器3）板式换热器板式换热器为一组金属板片构成，两相临板片的边缘衬以垫片，冷热流体交替在板片两侧流过，通过板片进行传热。见图2-3-66。板式换热器具有传热效能高、操作灵活性大、体积小、结构紧凑、钢材耗量少的优点；但因板间距小，流通截面较小，流速又不大，因此处理量不大。另外，板翅式换热器检修难度较大及对流体的洁净度要求高，耐压能力低于管壳式换热。板式换热器通常适用于液液换热。对流量小的流体，当压力与温度较低，推荐选用板式换热器。海洋平台上常被用于冷却水/海水的换热系统中。4图2-3-66板式换热器4）空冷器空冷器是用空气来冷却通过管内的流体。它由管束、风机、构架及百叶窗组成。见图2-3-67。空冷器腐蚀性较小，压降小，维护费用低，无需各种辅助费用；但空气比热小，传热系数小，传热面积大，体积大，成本高，受气候影响大，噪音大，布置受限制。空冷器适用于缺少水或水处理昂贵的地区。空冷器适于冷凝或冷却干净的气体及轻质油品。图2-3-67空冷器5）其它型式在海上油田，也有一些其它型式的冷换设备及加热方式。⑴电加热器电加热器分为直接加热型及间接加热型。①直接加热型电加热器直接加热型电加热器为电热原件插到罐体内直接与被加热介质接触。见图2-3-68。这种加热方式具有传热效率高、结构简单、体积小、重量轻等优点；但由于流体中杂质造成局部过热而结集，因此需要抽空清洗，耗费维修工时；另外，对高压、危险性介质，端部法兰密封要求甚高，维修难度大，可靠性较低。5图2-3-68直接加热型电加热器在油气处理加热器、燃料气加热器、海水、淡水、柴油罐内的加热器，均有用这种方式加热的电加热器，如锦州20-2海上平台。②间接加热型电加热器间接加热型电加热器为电热元件加热传热介质（导热油或水），再由导热油来加热被加热介质。见图2-3-69。这种加热方式具有导热油或水在高温下不易结集，安全可靠性高。但由于间接式传热线路为：电加热元件→导热油或水→管线→被加热介质，其加热效率低，且导热油或水需定期更换。图2-3-69间接加热型电加热器电水浴加热器即为间接加热型电加热器。他是一个圆筒形结构，内件有被加热盘管，圆筒内充满了水，电加热器加热水的温度，当被加热介质通过筒体内的盘管时，由热水加热。绥中36-1J区用的加热器即为电水浴加热器。⑵盘管式加热器盘管式加热器为在被加热介质中设热介质（导热油或蒸汽）加热管线，对被加热介质进行加热或维温。如在油舱等大舱中设独立加热盘管，一般布置在舷侧壁和舱底部。在主甲板上有加热管汇和阀门，根据舱温就地控制阀组的开度。在油罐中，管式加热器一般布置在罐底部。目前FPSO上的油舱均用热介质为导热油的盘管式加热器进行加热和维温，如文昌油田的南海奋进号。62．国产标准管壳式换热器型号及表示方法XXXX–X–X–X/X–XI（II）换热管级别：I较高级冷拔换热管II普通级冷拔换热管管程数换热管长度，m/换热管外径，mm公称换热面积，m2公称压力，MPa公称直径，mm钩圈式浮头壳体型式：E-单程壳体（换热器或冷凝器）J-无隔板分流壳体（或冷凝器壳体）管箱型式：A-平盖管箱，B-封头管箱例如：BES–600–1.6–55–3/19–2II即为：封头管箱，公称直径600mm，管、壳程压力均为1.6MPa，公称面积55m2，普通级冷拔换热管，外径19mm，管长3m，2管程，单壳程的浮头式换热器。3．国产标准空冷器型号及表示方法XX–X–X–X–X/X–X管程数翅片比/翅片管型式设计压力，kPa管箱型式管束换热面积，m2翅片管排数管束公称尺寸长×宽m型式：p-水平式管束，x-斜顶式管束，s-湿式管束例如：X4.5×3–4–63.6–16S–23.4/L–II即为：斜顶式管束，长4.5m，宽3m，4排管，换热面积63.6m2，设计压力为16kg/cm2的丝堵式管箱，翅片比23.4，L型缠绕翅片管，II管程。三、换热器和冷却器的工艺计算冷换设备种类很多，海上一般为管壳式换热器、板式换热器和空气冷却器，其中以管壳式换热器最为普遍，以下对管壳式换热器的计算做简单介绍。1．确定冷热流体之间需要交换的热量QQ=GC（t1-t2）（2-3-31）式中：Q：冷（热）流体，通过换热器后增加（减少）的热量，kcal/h；7G：冷（热）流体，通过换热器的重量流量，kg/h；C：冷（热）流体的重量热容，kcal/kg·℃；t1、t2：冷（热）流体进、出换热器的温度，℃；2．确定换热器的换热面积AA=Q（2-3-32）K·ΔT式中：K：冷热流体之间的总传热系数，kcal/m2·h·℃；ΔT：平均温差，℃。3．关于K值1）基本公式总传热系数K值为各项热阻的倒数，即：K=1（2-3-33）Ao（1+ri）+rs+(1+ro)Aiαiαo式中：Ao：管外表面积，m2；Ai：管内表面积m2；αi：管内流体的膜传热系数，kcal/m2·h·℃；ri：管内流体的结垢热阻，m2·h·℃/kcal；rs：管壁材料的热阻（一般金属管子可忽略不计），m2·h·℃/kcal；αo：管外流体的膜传热系数，kcal/m2·h·℃；ro：管外流体的结垢热阻，m2·h·℃/kcal；如果αo及ro以管外表面为基准可省略Ao/Ai项。2）主要影响因素从K值的计算公式上看，管内、外膜传热系数及流体的结垢热阻是影响K值的主要因素。为了传递一定的热量，当所要求的温差一定时，为节省传热面积，即降低设备尺寸，节省投资，就是通过提高总传热系数K值来实现。K值的提高主要是依靠提高管程与壳程的膜传热系数。当介质及其操作温度确定后，提高膜传热系数的唯一手段就是增加流速，但增加了流速就意味着增大压力降，即节省了传热面积，却需要花费更多的功率。因此在提高传热系数上，K值与压力降是相互制约的，所以流体的流速不能任意提高。影响K值的另一个因素是结垢热阻。换热器的管壁在操作中不断地被污垢所覆盖，它对传热性能与压力降都有影响。介质情况、操作条件和设备情况等因素，决定结垢的快慢、厚度与牢度。一般地说：当介质中含有悬浮物，溶解物及化学安定性较差的物质时，较易结垢；当流体的流速较低，温度升高较多，或管壁温度高于流体温度较多时，都比较容易结垢；当管壁比较粗糙，或在结构上有死角时，较易结垢。3）总传热系数参考值在估算时，总传热系数K值可参考表2-3-32。8表2-3-32管式换热器总传热系数参考值换热介质总传热系数（kcal/m2·h·℃）原油/原油原油/热油原油/冷却水低压气体（0.1MPa）/冷却水高压气体（2MPa）/冷却水200~270250~30050~24085410一般来讲，比重越大，换热系数越低；定性温度越高，换热系数越高。4．平均温差的确定1）恒温传热如果换热器的一側的流体的温度保持恒定，另一侧流体的温度随着流体的位置而改变。例如，蓄热式加热器可以看作是这种传热方式。则平均温差为：ΔTm=t2–t1（2-3-34）2）逆流传热逆流传热是冷热流体的流向相反，以最简单的套管式换热器为例，平均温差为：ΔTm=(T1-t2)-(T2-t1)（2-3-35）ln(T1-t2)(T2-t1)T1、T2和t1、t2分别为热、冷流体进、出换热器的温度。3）顺流传热顺流传热是冷热流体的流向相同，平均温差为：ΔTm=(T1–t1)-(T2–t2)（2-3-36）ln(T1–t1)(T2–t2)T1、T2和t1、t2分别为热、冷流体进、出换热器的