海洋石油工藝設(shè)計手冊10-換熱和冷卻系統(tǒng)(已修改)
2024-11-19 15:51 本頁面
【正文】 1 第七節(jié) 換熱和冷卻系統(tǒng)工藝設(shè)計 一、 換熱和冷卻的流程設(shè)計 1．概述 換熱和冷卻工藝流程是油氣集輸工藝流程設(shè)計的重要組成部分。 換熱和冷卻的流程設(shè)計是要在經(jīng)濟合理的條件下，最大限度的回收熱量，也就是考慮如何合理安排換熱流程。在安排換熱流程的同時，對溫度等操作條件也應(yīng)隨之加以確定。 當(dāng)主要的目的是加熱冷流時，一般總是先和溫度較低的流體換熱，然后再和溫度較高的流體換熱，這樣總的平均傳熱溫差較高。 2．介質(zhì)流程確定 確定介質(zhì)那一個走管程，那一個走殼程，應(yīng)根據(jù)流體性質(zhì)，從有利于傳熱，減少設(shè)備腐蝕，減少壓力降和便于清洗 選定。在確定時應(yīng)考慮以下因素： 1）有腐蝕性介質(zhì)走管程，以免走殼程時換熱器的管程和殼程同時受腐蝕。 2）有毒性的介質(zhì)走管程，泄漏機會較少。 3）壓力高的介質(zhì)走管程，以免殼體受壓而增加厚度，多耗鋼材，造價增大。 4）不清潔的易于結(jié)垢的介質(zhì)走管程，便于清洗。殼程不便于清洗。 5）粘度大或流量小的走管程，因可采用多管程獲得較大的流速，有利傳熱。 6）如果兩種介質(zhì)傳熱系數(shù)相差較大時，宜將膜傳熱系數(shù)高的介質(zhì)走殼程。殼程雷諾數(shù) 100 即為湍流狀態(tài)，可減少壓降。 7）在水冷卻器中，一般均為水走管程，被冷卻的介質(zhì)走殼程 。 8）氣相冷凝走殼程（無管殼式換熱器的那種折流板）。已有定型的冷凝器，有相變的一方走殼程。 3．流速 流速是換熱器計算的一個重要參數(shù)，它影響換熱器的流通面積。增加流速有利于傳熱，同時也增加了壓降。因此，根據(jù)經(jīng)驗在不同的操作條件下確定合理的流速。此外，為了避免由于流速過高而造成設(shè)備的磨損。 根據(jù)經(jīng)驗確定的換熱器內(nèi)的流速范圍可參考表 2329 的 數(shù)據(jù)： 表 2329 換 熱器內(nèi)的參考流速范圍 介質(zhì) 管程流速（ m/s） 殼程流速（ m/s） 循環(huán)水 新鮮水 低粘度油 高粘度油 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 表 2330 為 不同粘度的液體在換熱器中的最大流速。 2 表 2330 不 同粘度的液體在換熱器中的最大流速 液體粘度（ mPa s） 最大流速（ m/s） 1500 1000 ~ 500 500 ~ 100 100 ~ 35 35 ~ 1 1 流速的確定，既要有利于傳熱，又要使換熱器的壓降在合理的范圍內(nèi)。 4．壓力降 對流體的壓力降，可參考表 2331 的 數(shù)據(jù)： 表 2331 合理壓力降參考值 操作情況 操作壓力（ kPa） 合理壓力降（ kPa） 負(fù)壓操作 低壓操作 低壓操作 中壓操作 高壓操作 P = 0 ~ 10（ A） P = 10 ~ 70（ G） P = 70 ~ 1000（ G） P = 1000 ~ 3000（ G） P = 3000 ~ 8000（ G） Δ P = P/10 Δ P = P/2 Δ P = 35 Δ P = 35 ~ 180 Δ P = 70 ~ 250 在選定具體的換熱器后，要對流體的 壓力降進(jìn)行詳細(xì)核算。 5．換熱終溫的確定 確定換熱終溫實際就是怎樣合理利用熱源，或某熱能有無必要回收等，直接影響整個工藝流程。 換熱終溫的確定，影響到熱強度和換熱效率。在熱流進(jìn)口溫度和冷流出口溫度相等的極限情況下，熱量利用的效率即換熱效率雖然最大，但熱強度為最小，需要的傳熱面積為最大。另外在決定換熱終溫時，一般不希望出現(xiàn)溫度交叉現(xiàn)象，即不希望冷流的出口溫度高于熱流的出口溫度，否則會出現(xiàn)反熱現(xiàn)象。 為合理確定換熱終溫，可參考以下數(shù)據(jù)：見圖 2363： 1）熱端的溫度差≦ 20℃。 2）冷端的溫差分 3 種情況 ： ⑴ 兩種流體換熱時，在一般情況下端點溫度差≦ 20℃。 T1 熱流 ⑵ 兩種流體換熱時，若熱流尚需進(jìn)一步冷卻，冷流尚需 t2 T2 進(jìn)一步加熱，則冷端的溫度差≦ 15℃。 冷流 ⑶ 流體用水或其它冷媒冷卻時，冷端溫度差≦ 5℃。 t1 3）海水用于冷卻時溫升≦ 10℃。 圖 2363 溫度差計算示意圖 二、冷換設(shè)備類型及其選擇 1．冷換設(shè)備的類型 及適用范圍 海上常用的冷換設(shè)備有：管殼式換熱器、套管式換熱器、平板式換熱器和空冷器。 1）管殼式換熱器 3 管殼式換熱器由殼體、管束、管板和封頭等部件構(gòu)成。管束安裝在殼體內(nèi)，兩端固定在花板上 。見圖 2364。 管殼式換熱器 在所有換熱器中使用最廣泛。優(yōu)點是單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積較大，傳熱效果也較好。由于結(jié)構(gòu)堅固，而且可以選用的結(jié)構(gòu)材料范圍也比較寬廣，故適應(yīng)性較強，操作彈性較大。尤其在高溫、高壓和大型裝置中采用更為普遍。 圖 2364 管殼式換熱器 2）套管式換熱器 將兩種直徑大小不同的直管裝成同心套管，并可用 U 形肘管把許多段串連起來，每一段直管稱作一程，即為套管式換熱器。 見圖 2365。進(jìn)行換 熱時，兩種流體都可達(dá)到較高的流 速，從而提高傳熱膜系數(shù)，而且兩流體可始終以逆流方向流動，平均溫差亦為最大。由于結(jié)構(gòu)簡 單，能耐高壓，應(yīng)用靈活，可根據(jù)需要增加或拆減套管段數(shù)。適用于流量不大，所需傳熱面積不多的場合。 圖 2365 套管式換熱器 3）板式換熱器 板式換熱器為一組金屬板片構(gòu)成，兩相臨板片的邊緣襯以墊片，冷熱流體交替在板片兩側(cè)流過，通過板片進(jìn)行傳熱。見圖 2366。板式換熱器具有傳熱效能高、操作靈活性大、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、鋼材耗量少的優(yōu)點；但因板間距小，流通截面較小，流速又不大，因此處理量不大。另外，板翅式換熱器檢修難度較大及對流體的潔凈度要求高，耐壓能力低于管殼式換熱。板式換熱器通常適用于液液換熱。對流 量小的流體，當(dāng)壓力與溫度較低，推薦選用板式換熱器。海洋平臺上常被用于冷卻水 /海水的換熱系統(tǒng)中。 4 圖 2366 板式換熱器 4）空冷器 空冷器是用空氣來冷卻通過管內(nèi)的流體。它由管束、風(fēng)機、構(gòu)架及百葉窗組成。見圖2367?？绽淦鞲g性較小，壓降小，維護(hù)費用低，無需各種輔助費用；但空氣比熱小，傳熱系數(shù)小，傳熱面積大，體積大，成本高，受氣候影響大，噪音大，布置受限制?？绽淦鬟m用于缺少水或水處理昂貴的地區(qū)?？绽淦鬟m于冷凝或冷卻干凈的氣體及輕質(zhì)油品。 圖 2367 空冷器 5）其它型式 在 海上油田，也有一些其它型式的冷換設(shè)備及加熱方式。 ⑴ 電加熱器 電加熱器分為直接加熱型及間接加熱型。 ① 直接加熱型電加熱器 直
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