靖咸输油管道波纹管换热器使用情况

　　郭和1,夏政1,穆冬玲1,钱江2(1西安长庆科技工程有限责任公司,陕西西安710021;2沈阳仪表科学研究院,辽宁沈阳110043)

　　1引言靖咸输油管道全长462.6km,总投资7.25亿元。管道除高扬程输油泵、减压阀、SCADA系统采用国外引进设备外,主要以国产设备为主,全线共设7座输油场站,其中具有加热功能的场站5座,采用蒸汽为热源,换热器为加热设备的场站有3座,分别为靖安输油首站、王窑加热站、延炼分输站。该项目采用了国内某研究所生产的9台固定管板式波纹管换热器,由于该换热器具有传热效率高、体积小、换热量大、不污、不堵、不结垢等优点,达到了设计目的。靖咸输油管道自投产以来,换热器运行平稳可靠。

　　2结构原理2 1结构该项目选用换热器的换热管为薄壁不锈钢波纹管。这种换热管由国内某研究所在1990年自行研制开发,换热管的成型方式为机械胀型,其结构见图1。

　　2 2换热原理

　　根据传热学原理,换热热阻的大小主要决定于靠近壁面处流体的状况,因为这里流体速度和温度变化最显著,该区域称为边界层。任何流体都有黏度,任何材料的换热管都有粗糙度。当具有黏性的流体流过管壁时,就会在壁面上产生摩擦力,它制动了流体的流动,使靠近管壁的流体速度降低下来,而直接贴附于管壁的流体实际上将停滞不前,流体只有经过厚度为δ的薄层,流体的速度才能接近主流速度,如图2所示。在很薄的一层流体内,速度由0变化到接近主流速度,其平均的速度梯度将是很大的,大的速度梯度说明边界层内具有较大的粘滞应力。根据理论分析和试验观察,边界层厚度与换热管直径相比是极小的。随着流体雷诺数Re的提高,边界层厚度随之变薄(例如流体在直径25mm的管内流动时Re数由104增加到105时,边界层由0.49mm降为0.065mm)。但较高的Re会使换热器的压降急剧增加,因此,Re的增加是有一定限度的。由于这界层热阻的存在,流体的温度场与速度场正好相反,即越靠近管壁处,流体温度越高,流体中心处,温度最低 。

　　薄壁波纹换热管由于在换热管产生了波纹,且波纹深度达到3.5mm,波峰与波谷的流通面积比值达到1∶0. 588,即波峰与波谷的流速差约为1∶2;波峰与波距的比值为1.33∶1,流体在波纹换热管内流动时,在波谷处,流速增加,动压减小,静压增大;在波峰处,流速降低,动压增大,静压减小,在单位时间内,这种压力、速度的转化要发生几次至几十次,流体的边界层很难形成,并极易被打破;管壁表面的不连续,也使得边界层无法生成。　　由于以上因素,边界层厚度的减薄和边界层的被打破,使热量能迅速地被传递到流体中去,换热器的传热能力得到极大的提高。即使在较小的流速下,换热器仍然能达到较高的传热系数。

　　3固定管板式波纹管换热器的优点(1)传热效率高、体积小、换热量大。由于该换热采用薄壁波纹换热管,其传热系数比光管增加1倍左右,考虑到污垢热阻(油垢、水垢、结焦)等各种因素,该换热器传热系数是原光管换热器的1.5～1.8倍,即:薄壁波纹换热管的传热系数比光管(列管)换热器提高50%～80%。该换热器体积小,120m2换热器体积相当于原2台60m2换热器的1/2,直径仅为800mm,安装简单,使用方便。(2)不污、不堵、不结垢,运行平稳。由于换热管采用不锈钢管,而且波纹管本身为热补偿元件,通过热胀冷缩而具有自洁作用,因此解决了列管式换热器防腐能力差,易于结垢等问题。(3)管路通道大、压降小、节能效果好。波纹换热管比浮头式换器常用换热管的流通面积大4～2 25倍,因此,介质的流速降低,换热器的压力降也就降低了,节省了换热器的运行费用。(4)密封可靠、安全牢固固定管板式换热器的密封周长短,耐压能力好。且波纹换热管具有自身补偿的功能,管板热应力小,因而不会出现管口破裂造成的泄漏现象。

　　4使用注意事项靖咸输油管道工程在靖安输油首站、王窑加热站、洛川分输站分别选用了3台128m2、2.5MPa;128m2、6.4MPa;194m2、6.4MPa的固定管板式波纹管换热器,在设备安装就位后,现场进行了压力试验及严密性试验,均未发生渗漏现象。在2001年投产过程中,从管道预热到输送原油,使用效果良好。但在换热器配套设施,如疏水阀的选择、锅炉蒸汽压力等方面必须满足设计要求,才能充分发挥换热器的功能。

　　(1)蒸汽管路疏水阀的选择:疏水阀的选择取决于疏水阀进出口最大压差及疏水阀的最大排水量。同时,应考虑供气初期的低压重负荷及设备预热的要求。靖咸输油管道投产预热过程中,由于需要提供过量的热水,以满足管道预热的要求,换热器超负荷运行,致使蒸汽短时间在换热器内冷凝为冷凝水,过量的冷凝水使疏水阀短时间内无法正常正作。(2)蒸汽压力(温度)与换热器的换热量密切相关。靖咸输油管道在设计过程中,考虑到生产单位蒸汽锅炉实际产生的蒸汽压力问题,设计按照0.4MPa(即饱和蒸汽温度143.6℃)进行设备选型。但在投产预热过程中,王窑加热站热水出口温度达不到设计温度,根据现场实际调查,当时的锅炉设定压力仅0.4MPa,锅炉向换热器提供的蒸汽压力只有0.25MPa,通过现场调试,当蒸汽压力提高到0.35MPa时,换热器出口温度提高了10℃。根据当时的预热水的排量、蒸汽进口温度及冷凝水温度、进出换热器水介质温度,反算该换热器的总传热系数为3053W/(m2·℃).

　　5结束语根据近期采集的数据看,靖咸输油管道中选换热器及其配套设施均运行良好,达到了设计要求,说明波纹管换热器在输油行业中的使用是可行的。