靖咸輸油管道波紋管換熱器使用情況

　　郭和1,夏政1,穆冬玲1,錢江2(1西安長慶科技工程有限責任公司,陜西西安710021;2沈陽儀表科學研究院,遼寧沈陽110043)

　　1引言靖咸輸油管道全長462.6km,總投資7.25億元。管道除高揚程輸油泵、減壓閥、SCADA系統采用國外引進設備外,主要以國產設備為主,全線共設7座輸油場站,其中具有加熱功能的場站5座,采用蒸汽為熱源,換熱器為加熱設備的場站有3座,分別為靖安輸油首站、王窯加熱站、延煉分輸站。該項目采用了國內某研究所生產的9臺固定管板式波紋管換熱器,由于該換熱器具有傳熱效率高、體積小、換熱量大、不污、不堵、不結垢等優點,達到了設計目的。靖咸輸油管道自投產以來,換熱器運行平穩可靠。

　　2結構原理2 1結構該項目選用換熱器的換熱管為薄壁不銹鋼波紋管。這種換熱管由國內某研究所在1990年自行研制開發,換熱管的成型方式為機械脹型,其結構見圖1。

　　2 2換熱原理

　　根據傳熱學原理,換熱熱阻的大小主要決定于靠近壁面處流體的狀況,因為這里流體速度和溫度變化最顯著,該區域稱為邊界層。任何流體都有黏度,任何材料的換熱管都有粗糙度。當具有黏性的流體流過管壁時,就會在壁面上產生摩擦力,它制動了流體的流動,使靠近管壁的流體速度降低下來,而直接貼附于管壁的流體實際上將停滯不前,流體只有經過厚度為δ的薄層,流體的速度才能接近主流速度,如圖2所示。在很薄的一層流體內,速度由0變化到接近主流速度,其平均的速度梯度將是很大的,大的速度梯度說明邊界層內具有較大的粘滯應力。根據理論分析和試驗觀察,邊界層厚度與換熱管直徑相比是極小的。隨著流體雷諾數Re的提高,邊界層厚度隨之變薄(例如流體在直徑25mm的管內流動時Re數由104增加到105時,邊界層由0.49mm降為0.065mm)。但較高的Re會使換熱器的壓降急劇增加,因此,Re的增加是有一定限度的。由于這界層熱阻的存在,流體的溫度場與速度場正好相反,即越靠近管壁處,流體溫度越高,流體中心處,溫度最低 。

　　薄壁波紋換熱管由于在換熱管產生了波紋,且波紋深度達到3.5mm,波峰與波谷的流通面積比值達到1∶0. 588,即波峰與波谷的流速差約為1∶2;波峰與波距的比值為1.33∶1,流體在波紋換熱管內流動時,在波谷處,流速增加,動壓減小,靜壓增大;在波峰處,流速降低,動壓增大,靜壓減小,在單位時間內,這種壓力、速度的轉化要發生幾次至幾十次,流體的邊界層很難形成,并極易被打破;管壁表面的不連續,也使得邊界層無法生成?！　∮捎谝陨弦蛩?邊界層厚度的減薄和邊界層的被打破,使熱量能迅速地被傳遞到流體中去,換熱器的傳熱能力得到極大的提高。即使在較小的流速下,換熱器仍然能達到較高的傳熱系數。

　　3固定管板式波紋管換熱器的優點(1)傳熱效率高、體積小、換熱量大。由于該換熱采用薄壁波紋換熱管,其傳熱系數比光管增加1倍左右,考慮到污垢熱阻(油垢、水垢、結焦)等各種因素,該換熱器傳熱系數是原光管換熱器的1.5～1.8倍,即:薄壁波紋換熱管的傳熱系數比光管(列管)換熱器提高50%～80%。該換熱器體積小,120m2換熱器體積相當于原2臺60m2換熱器的1/2,直徑僅為800mm,安裝簡單,使用方便。(2)不污、不堵、不結垢,運行平穩。由于換熱管采用不銹鋼管,而且波紋管本身為熱補償元件,通過熱脹冷縮而具有自潔作用,因此解決了列管式換熱器防腐能力差,易于結垢等問題。(3)管路通道大、壓降小、節能效果好。波紋換熱管比浮頭式換器常用換熱管的流通面積大4～2 25倍,因此,介質的流速降低,換熱器的壓力降也就降低了,節省了換熱器的運行費用。(4)密封可靠、安全牢固固定管板式換熱器的密封周長短,耐壓能力好。且波紋換熱管具有自身補償的功能,管板熱應力小,因而不會出現管口破裂造成的泄漏現象。

　　4使用注意事項靖咸輸油管道工程在靖安輸油首站、王窯加熱站、洛川分輸站分別選用了3臺128m2、2.5MPa;128m2、6.4MPa;194m2、6.4MPa的固定管板式波紋管換熱器,在設備安裝就位后,現場進行了壓力試驗及嚴密性試驗,均未發生滲漏現象。在2001年投產過程中,從管道預熱到輸送原油,使用效果良好。但在換熱器配套設施,如疏水閥的選擇、鍋爐蒸汽壓力等方面必須滿足設計要求,才能充分發揮換熱器的功能。

　　(1)蒸汽管路疏水閥的選擇:疏水閥的選擇取決于疏水閥進出口最大壓差及疏水閥的最大排水量。同時,應考慮供氣初期的低壓重負荷及設備預熱的要求。靖咸輸油管道投產預熱過程中,由于需要提供過量的熱水,以滿足管道預熱的要求,換熱器超負荷運行,致使蒸汽短時間在換熱器內冷凝為冷凝水,過量的冷凝水使疏水閥短時間內無法正常正作。(2)蒸汽壓力(溫度)與換熱器的換熱量密切相關。靖咸輸油管道在設計過程中,考慮到生產單位蒸汽鍋爐實際產生的蒸汽壓力問題,設計按照0.4MPa(即飽和蒸汽溫度143.6℃)進行設備選型。但在投產預熱過程中,王窯加熱站熱水出口溫度達不到設計溫度,根據現場實際調查,當時的鍋爐設定壓力僅0.4MPa,鍋爐向換熱器提供的蒸汽壓力只有0.25MPa,通過現場調試,當蒸汽壓力提高到0.35MPa時,換熱器出口溫度提高了10℃。根據當時的預熱水的排量、蒸汽進口溫度及冷凝水溫度、進出換熱器水介質溫度,反算該換熱器的總傳熱系數為3053W/(m2·℃).

　　5結束語根據近期采集的數據看,靖咸輸油管道中選換熱器及其配套設施均運行良好,達到了設計要求,說明波紋管換熱器在輸油行業中的使用是可行的。