张文斌

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

近年来，国家对节能减排非常重视，要求企业全面构建节能减排降碳一体化体系，不断提高能源利用效率。某炼化分公司经过多方论证，决定将裂解汽油加氢装置的二段进出料换热器更换为新型高效的缠绕管式换热器，以实现节能环保、减少运行成本，进一步提高裂解汽油加氢装置的生产水平，增强市场竞争力。

某炼化分公司的70万t/a裂解汽油加氢装置采用中石化的ST裂解汽油加氢技术， 该缠绕管式换热器的应用改造由中国石化工程建设有限公司(SEI)承担， 项目于2019年8月中交， 12月12日正式投料开车， 生产出合格产品， 标志着缠绕管式换热器投用成功。这是缠绕管式换热器在裂解汽油加氢装置上的首次应用， 意义深远。

1 缠绕管式换热器

缠绕管式换热器作为一种新型高效节能设备，已广泛应用于炼油、化工装置。与传统的管壳式换热器相比，缠绕管式换热器具有如下优势 ：结构紧凑，换热管呈螺旋盘管状绕制，可以增加换热管长度，加大单位容积的传热面积；利用逆流换热的结构，换热系数较高，可强化传热效果；抗振动、耐高温差引起的热膨胀性能好； 介质温度端差小，不可逆损失小；密封可靠性高、介质压力高；介质流畅、不存在换热死区；可多种介质同时参与换热、不同介质之间无压差要求； 换热设备本身体积小， 占用的空间小， 而安全性能更强； 换热器易实现大型化【1-2】。典型的单股流缠绕管式换热器结构形式如图1所示。

图1 单股流缠绕管式换热器结构示意

2 缠绕管式换热器应用流程

缠绕管式换热器应用在裂解汽油加氢装置二段加氢反应单元的工艺流程如图2所示。裂解汽油加氢装置的二段加氢反应为高温气相放热反应，气相物料在催化剂的作用下使得单烯烃加氢饱和，同时脱除硫、氮等杂质。二段反应出料经气液分离罐分离后，液相送入稳定塔脱除硫化氢，加氢汽油产品送芳烃抽提装置。

图2 缠绕管式换热器工艺流程

2.1 应用前流程

从一段加氢循环泵来的二段加氢冷物料， 与二段加氢循环氢压缩机来的循环氢混合后， 先经二段进料预热器(E-762)预热， 再经二段进出料换热器(E-760A/B/C/D)加热， 最后利用高压蒸汽加热器(E-764)加热至二段加氢反应器(R-760)入口所需要的温度， 进入二段加氢反应器(R-760)的顶部。其中， 高压蒸汽加热器(E-764)的蒸汽流量要根据加热后进料物流的温度进行调控。

2.2 应用后流程

从一段加氢循环泵来的二段加氢冷物料，与二段加氢循环氢压缩机来的循环氢混合后，先经二段进料预热器(E-762)预热，再经缠绕管式换热器(E-765)加热，即可满足二段加氢反应器(R-760)入口所需要的温度，直接进入二段加氢反应器(R-760)的顶部。由于采用缠绕管式换热器(E-765)，二段加氢的反应热足以使冷物料加热到二段加氢反应器(R-760)所需的温度，且有富裕，故设置旁路调节阀用于调节进料温度。

3 缠绕管式换热器选型

3.1 设备材质

裂解汽油加氢装置二段加氢反应工段的工艺冷物料含烯烃、氢气和少量硫化物，反应器出口物料含硫化氢和氢气，缠绕管式换热器属于高压临氢压力容器。设备选材依据纳尔逊曲线，本次应用的缠绕管式换热器(E-765)管板，法兰选用S32168Ⅳ/Ⅲ，筒体、封头、换热管选用S32168。

3.2 结构设计

缠绕管换热器(E-765)取消了传统列管式换热器壳侧折流板结构，消除了折流板背面垢物积聚沉淀的死区。换热管采用层间反向螺旋缠绕的结构，在壳程侧形成规则不等距的层间及管间空间。介质流经此类通道时发生局部流速变化，这种变流速会对管外壁产生脉冲式流动，极大地改变了壳侧介质流动的方式，并使得缠绕管换热器壳程具备一定的自清洁能力。

缠绕管换热器(E-765)采用立式安装，见图3。相比于卧式安装的换热器，其管、壳程抵抗垢物沉积的能力均有较明显的提高。考虑到立式安装的换热器，底部存在死区，需要清洗排放，故在壳程设计有排净口。为了防止管板背部管子胀接不到位的地方存在缝隙腐蚀的可能性，在管板背部涂了一层高温防腐涂料。

3.3 密封性和热膨胀

缠绕管式换热器管箱与接管间的连接为焊接连接，因而不易发生泄漏问题。管束两端均有自由段，可自行膨胀，故不存在热膨胀应力。

4 缠绕管式换热器与传统管壳式换热器的比较

本次缠绕管式换热器(E-765)投用前，其炼化分公司的裂解汽油加氢装置二段进出料换热器采用浮头式换热器(E-760A/B/C/D)4台串联操作，由于浮头易发生内漏，无法使冷、热物料在完全纯逆流的状态下进行热量交换，因此入口温度为73 ℃ 的冷物料经过二段进出料换热器(E-760A/B/C/D)换热后只能加热到230 ℃，仍需要引入高温热源，需通过1台双壳程U形管高压蒸汽加热器(E-764)加热进行温度补偿，来达到反应器入口温度245 ℃ 的要求。

缠绕管式换热器与传统换热器参数比较见表1。从表1中可以看出：在满足工艺进出料温度要求的前提下，1台缠绕管式换热器的换热面积达到了4 000 m2，热端温差可以满足20 ℃的换热需求； 而5台传统管壳式换热器的换热面积为3 644 m2，热端温差为40 ℃。从设备材质和质量看，缠绕管式换热器的设备成本接近于应用前的设备成本，投资影响不大。缠绕管式换热器为立式，高度达到23 m。应用后，缠绕管式换热器传热效率高，表现优异，实现了零的高压蒸汽消耗。

图3 裂解汽油加氢装置缠绕管式换热器

表1 缠绕管式换热器与传统换热器参数比较

5 应用效果

缠绕管式换热器(E-765)应用后，高压蒸汽加热器(E-764)已停用，而且热侧的旁路阀门开度仅在65%左右，换热余量充足，说明缠绕管式换热器的换热效率非常高。

运行7个月以来，高压蒸汽消耗量降为0，平均可节约2 000 kg/h。按年操作时间8 000 h、高压蒸汽单价128.87元/t、凝结水单价10.62元/t计算，每年可节约运行成本(含税)=2×8 000×(128.87-10.62)×1.06=189万元。

6 存在问题与建议

1) 缠绕管式换热器由于管束采用缠绕型式，管程压降偏大，如果管束内产生结垢，传热系数下降后管束的清洗也比较困难，无法采用机械清洗的方法及时处理【3】。

2) 由于缠绕管式换热器是焊接结构，壳体内部检查与检修作业比较困难。

3) 缠绕管式换热器在裂解汽油加氢装置上的应用还是第一次，可能还有不可预见的问题，需要在以后的操作中不断摸索与发现。

7 结论

1) 缠绕管式换热器在裂解汽油加氢装置上的应用，使得二段加氢反应流程实现了一次变革，不仅使传统的反应流程更加简捷，而且减少了换热器的数量，采用1台缠绕管式换热器的流程，替代了原来5台传统管壳式换热器的流程。

2) 节能效果明显。对于1套70万t/a的裂解汽油加氢装置，每年可以减少189万元的运行成本。

3) 流程的简捷减少了设备的使用台数，使装置的泄漏点减少，装置的安全性和可靠性得到进一步提高。