張 頌 李忠芳 陳 曦 馬 全 崔振寧

中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司北京分公司 北京市

1.概述

通常在油氣田伴生氣處理系統(tǒng)工藝中，經(jīng)常利用凈化天然氣與未處理天然氣進(jìn)行一級(jí)冷卻，降低未處理天然氣的溫度。未處理天然氣在降溫過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定量的凝液，過(guò)多的凝液將導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至在冷卻器內(nèi)局部有段塞現(xiàn)象。另外天然氣換熱端面溫差一般要求比較低，常規(guī)的管殼式換熱器的端面溫差一般在20℃以上。為此，必須設(shè)計(jì)試制一種纏繞式換熱及分離一體化設(shè)備，同時(shí)具有冷卻和分離的功能，且直徑小、節(jié)約投資。

工程中常用的換熱器類(lèi)型主要有管殼式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器等，雖然螺旋板及板翅式換熱器最小端面溫差可以達(dá)到2℃，但是此類(lèi)換熱器不適用于壓力較高的場(chǎng)合，目前只適用于4.0MPa以下的場(chǎng)合。而管殼式換熱器受到端面溫差高的約束，使得在天然氣換熱場(chǎng)合受到熱量回收限制，尤其是低溫應(yīng)用的場(chǎng)合，換熱器的效率幾乎可以決定工藝的成敗，所以小端面溫差、耐高壓的纏繞式換熱器對(duì)于工程應(yīng)用意義重大。

針對(duì)未處理天然氣降溫過(guò)程凝液較多的特性，傳統(tǒng)的天然氣換熱工藝一般換熱效率隨著凝液的增加而降低，這將使得傳統(tǒng)的工藝和設(shè)備在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。如果從整套設(shè)備出發(fā)對(duì)換熱器和分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)，可節(jié)省功耗和空間。

2.纏繞式換熱器

纏繞式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內(nèi)將換熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀換熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距。纏繞式換熱器從傳熱原理上屬于間壁式換熱器，因此它具有管式換熱器的耐高壓性能，同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高壓高效氣體換熱場(chǎng)合。纏繞式換熱器有如下技術(shù)特點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，單位容積傳熱面積是普通管殼式換熱器2倍以上。對(duì)管徑為8～21mm的傳熱管，傳熱面積可達(dá)100～170m2/m3；而普通管殼式換熱器，傳熱面積只有54～77m2/m3，是纏繞式換熱器的45%左右。

（2）纏繞式換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，這種特殊結(jié)構(gòu)極大地改變了流體流動(dòng)狀態(tài)，形成強(qiáng)烈的湍流效果，湍流狀態(tài)更強(qiáng)烈，提高了換熱系數(shù)，減小了傳熱面積，以最少的材料達(dá)到最佳的換熱效果，同時(shí)考慮壓降和換熱系數(shù)的最佳組合關(guān)系，以最小的壓降達(dá)到最好的換熱效果即高效換熱。

（3）介質(zhì)溫度端差小。由于其獨(dú)特的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，介質(zhì)在換熱管束中停留更長(zhǎng)時(shí)間，換熱更加充分，故冷熱介質(zhì)溫度端差小。

（4）由于是管殼式換熱器的一種，因此能承受高壓。

（5）由于管端存在一定長(zhǎng)度的自由彎曲段，因而具有很好的撓性，傳熱管的熱膨脹可部分自行補(bǔ)償，減輕了對(duì)管板焊接的應(yīng)力影響，減少了管頭與管板焊縫的泄漏可能性。同時(shí)，具有抗振動(dòng)、耐高低溫差大的特點(diǎn)，使用壽命可相對(duì)延長(zhǎng)。

（6）設(shè)備重量相對(duì)較輕、占地少、配管簡(jiǎn)單、安裝檢維修便捷、設(shè)備投資相對(duì)較低，容易實(shí)現(xiàn)大型化。

（7）纏繞管結(jié)構(gòu)可以滿足多種介質(zhì)同時(shí)換熱的要求，對(duì)于一定數(shù)量的換熱管，通過(guò)選擇一定的纏繞層數(shù)，可以比較容易地分配管程和殼程流通面積。

新型纏繞式換熱及分離一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：未處理天然氣走殼程，凈化天然氣體走管程。分離器安裝在殼程下部，管束結(jié)構(gòu)為螺旋纏繞式，換熱方式為純逆流。換熱計(jì)算利用多年工程經(jīng)驗(yàn)通過(guò)HTFS軟件進(jìn)行計(jì)算，所有受壓元件都要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，符合《壓力容器》GB150-2011中元件計(jì)算的相關(guān)規(guī)定，利用SW6強(qiáng)度軟件進(jìn)行校核。

螺旋形管束安裝在圓形殼體內(nèi)，在殼體中原料氣通過(guò)螺旋形纏繞式換熱器間隙側(cè)與管程內(nèi)的低溫天然氣介質(zhì)進(jìn)行換熱冷卻，未處理天然氣首先通過(guò)殼體下部進(jìn)入殼程與凈化天然氣進(jìn)行冷卻降溫，未處理天然氣被冷卻后，就會(huì)有冷凝液夾帶在氣體中，并且分離一部分的液相，通過(guò)下部連通管進(jìn)入殼程下部的分離器，冷卻后的原料氣在殼程上部流出。

傳熱計(jì)算是采用公司與國(guó)內(nèi)某大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的成熟計(jì)算程序。該程序可以計(jì)算多種形式的換熱器，若將換熱管的參數(shù)和多種介質(zhì)組分輸入計(jì)算程序，就可以進(jìn)行纏繞式換熱器的熱力計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可以確定換熱管的規(guī)格、數(shù)量、殼體的直徑、管程布置以及換熱面積等參數(shù)，從而為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

根據(jù)HYSYS模擬分析未處理天然氣中攜液量，然后通過(guò)設(shè)計(jì)排液時(shí)間計(jì)算出分離器的體積，從而設(shè)計(jì)液包的直徑以及長(zhǎng)度，并且通過(guò)分離器殼體上的液位計(jì)控制液位排放。

3.設(shè)計(jì)分析

纏繞式換熱器的換熱效果關(guān)系到后續(xù)工藝的處理效果。提高纏繞式換熱器的換熱效果將會(huì)降低整個(gè)裝置的減少功耗。因此如何解決天然氣冷卻時(shí)產(chǎn)生的凝液便是該工藝中關(guān)鍵的問(wèn)題，換熱效率是考核換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，而通過(guò)在該一體化設(shè)備下部設(shè)置分離液包，便可以將未處理天然氣中的凝液輕易的分離，從而顯著提高纏繞式換熱器的冷卻效果，降低換熱面積。

若采用常規(guī)設(shè)計(jì)脫水脫烴裝置，需要設(shè)計(jì)普通管殼式換熱器和立式旋流分離器兩臺(tái)設(shè)備，再通過(guò)法蘭和管路連接組合在一起。因此，從空間布置上，新型纏繞式換熱及分離一體化設(shè)備會(huì)節(jié)約很多空間，其安裝和檢修也要比常規(guī)的U形管式換熱器和立式分離器組合設(shè)備簡(jiǎn)便易行。

經(jīng)濟(jì)性是設(shè)備設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵一項(xiàng)，從使用材料成本上和加工制造成本上比較，新型纏繞式換熱及分離一體化設(shè)備都要比分別設(shè)計(jì)的管殼式換熱器和立式分離器經(jīng)濟(jì)。材料上由于新型管束傳熱效率高，相比同樣直徑的管殼式換熱器，管束的體積要比常規(guī)管殼式換熱器的小得多，故換熱管可降低成本。新型一體化設(shè)備的零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其材料成本低并且利用率高。新型纏繞式換熱及分離一體化設(shè)備的投資成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)管殼式換熱器與立式分離器的組合設(shè)備。

4.結(jié)論

通過(guò)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用表明，天然氣冷卻過(guò)程中含有一定量的凝液時(shí)，選用這種新型一體化設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省占地空間；傳熱效率高，壓力損失少，可靠性高；投資低于常規(guī)換熱設(shè)備等優(yōu)勢(shì)。