节能型蒸汽加热器与普通型蒸汽加热器的对比分析

梁成坡 运萌 秦留军 翁小列 李小康 吕结

摘 要：节能型蒸汽加热器是新型的蒸汽加热器，与普通型蒸汽加热器相比具有较大优势。基于此，本文以某40 000Nm3/h空分装置中的蒸汽加热器为例，从结构、制造和降低污氮气阻力三方面对比分析能型蒸汽加热器与普通型蒸汽加热器。

关键词：节能型蒸汽加热器；普通型蒸汽加热器；空分设备

中图分类号：TK175 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）14-0048-03

Comparative Analysis of Energy Saving Steam Heater and

Ordinary Steam Heater

LIANG Chengpo YUN Meng QIN Liujun WENG Xiaolie LI Xiaokang LYU Jie

（HNEC Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Abstract： The energy saving steam heater is a new type of steam heater， which has great advantages compared with the conventional steam heater. Based on this， this paper took the steam heater of a 40 000Nm3/h air separation unit as an example， and compared the energy type steam heater and the ordinary steam heater from three aspects of structure， manufacturing and reducing the resistance to nitrogen.

Keywords： energy saving steam heater；ordinary steam heater；air separation unit

在空分設备的分子筛纯化系统中，分子筛由于吸附了空气中的CO2和水等杂质，因此会失去吸附能力。为了使分子筛恢复活性，在此系统中设置了一个关键的换热器，让污氮通过该换热器后，被加热到一定温度，高温污氮进入分子筛吸附器加热分子筛使分子筛恢复活性。

这个关键的换热器一般选用蒸汽加热器或电加热器，这两种换热器均能实现上述功能。但考虑到节能要求，蒸汽比电更经济实惠，因此，蒸汽加热器在空分装置中的使用比电加热器更普遍。

目前，蒸汽加热器一般泛指普通型蒸汽加热器。而随着外翅片管的不断发展，高翅复合管[1]逐渐被应用于蒸汽加热器（节能型蒸汽加热器）中，使得设备的制造和使用更加便捷、方便，流程设置更加节能。基于此，本文主要对节能型蒸汽加热器与普通型蒸汽加热器进行对比分析。

1 结构比较

以某40 000Nm3/h空分装置中的蒸汽加热器为例，对节能型蒸汽加热器和普通型蒸汽加热器的部分结构设计进行说明比较。

设计条件：管程介质水、水蒸汽，工作压力为1.3MPa，蒸汽温度（饱和）；壳程介质污氮，工作压力为0.02MPa，进出口温度为10℃和180℃，流量为43 000Nm3/h。

1.1 普通型蒸汽加热器

普通型蒸汽加热器是一种卧式换热器（见图1），管程介质为污氮气，壳程介质为蒸汽，高压介质走管程，低压走壳程。这种设计理念主要是从两方面考虑的。①蒸汽在换热过程中会发生相变，如果蒸汽走管程，不利于水的排出，也不利于防止水或水蒸汽泄露到污氮气侧。②管程走污氮，可以在保证传热的基础上，较好地控制污氮气侧的阻力，又能保证设备的经济性。

本换热器用于40 000Nm3/h空分装置，采用两台设备并联才能满足工艺的要求。单台普通型蒸汽加热器的结构参数如下：设备直径Φ1 400mm，长度6 000mm，采用Φ16mm×1.5mm换热管（光管），管子长度3 658mm，换热管数量4 001根，换热面积808m2，设备重量约为14.7t。

由图1可知，设备采用了4块管板（内管板2块，外管板2块），内管板与外管板之间形成了一个不参与换热的空腔，空腔上的接管始终处于常开状态，其作用就是防止内管板以内的蒸汽泄漏到管箱。

1.2 节能型蒸汽加热器

节能型蒸汽加热器是立式的换热器（见图2），管程介质为蒸汽，壳程介质为污氮气，壳程走低压介质，管程走高压介质。此换热器的设计理念完全和普通型蒸汽加热器不同，节能型蒸汽加热器的换热管采用高翅复合型外翅片管（钢管铝翅片）。壳程介质为污氮气，气体的传热相对液体的传热和相变介质的传热较差，为了提高气体的换热性能，采用高翅复合型外翅片管作为换热管，增加气体在流动过程中的扰动，从而强化传热，提高换热器的换热效率。管程走蒸汽，采用立式结构有利于水的排放，并且还能较好地防止管程的水泄漏到污氮气侧。

本换热器用于40 000Nm3/h空分装置，只需要1台即可满足工艺要求。单台节能型蒸汽加热器的结构参数：设备直径Φ2 000mm，长度6 900mm，采用Φ25mm×2.5mm换热管（基管），翅片外径57mm，管子长度5 500mm，换热管数量255根，换热面积1 990m2，设备重量约为15.7t。

通过对比可以看出，节能型蒸汽加热器比普通型蒸汽加热器结构简单，并且设备的重量更有优势。

2 制造比较

2.1 普通型蒸汽加热器的制造

普通型蒸汽加热器采用固定管板式换热器结构，其芯体不可抽出，并且和普通的固定管板换热器有所不同，其是双管板换热器。

普通的固定管板换热器比U型管换热器或填料函换热器在制造上难度大。普通的固定管板换热器是将折流板和拉杆等零件先固定在一侧的管板上，然后再把筒体和两端的固定管板连接在一起，最后通过管板上的管孔进行串管。这就要求管板在和筒体连接过程中，要较好地控制两侧管板的同轴度，保证更顺利地实现串换热管。

对比普通的固定管板换热器的同轴度要求，双管板的固定管板换热器的换热管要同时穿过4块管板，所以其对同轴度的要求更高，对换热管的要求也更严格。此外，还要保证换热管的圆度、换热管的公差等。

普通型蒸汽加热器的换热管基本上都是德国进口，换热管材料是E235，符合的标准是DIN EN10305-1，所以换热管的生产成本比较高。换热管与管板连接是防止蒸汽泄漏到污氮气侧的关键，换热管与管板的连接采用强度焊+强度胀[2]。内管板与换热管采用强度胀，外管板与换热管采用强度焊。

为了防止蒸汽泄露到污氮气侧，要保证内管板与外管板间留有一定的空腔，内外管板之间的距离一般是80mm。但是，这增加了内管板进行强度胀的难度，对胀管器的要求也相应提高，且单台设备的换热管数量多达4 000根。在一套40 000Nm3/h空分装置中，需要采用2台普通型蒸汽加热器串联才能满足工艺要求，而此时换热管的数量为8 000根，这使得制造周期更长，成本更高[3]。

2.2 节能型蒸汽加热器的制造

节能型蒸汽加热器是立式结构，管束可以从壳体内抽出。与筒体连接的管板是圆形管板，与换热管连接的管板是长方形管板，圆形管板上开有长方形孔，可以让制作好的管束自由进入壳体。长方形管板与圆形管板采用螺栓连接，防止壳程介质泄露。

与普通型蒸汽加热器结构相比，节能型蒸汽加热器的长方形管板采用一种新的加工技术，把其加工成具有普通型蒸汽加热器的功能，图2中标注的常开口和普通型蒸汽加热器上的常开口的作用相同。

设备的换热管数量与普通型蒸汽加热器相比要少很多，单台设备只有255根换热管。管板与换热管的连接采用强度焊+强度胀，靠近壳程的管板侧与换热管进行强度胀，换热管管头与管板侧采用强度焊。强度焊与强度胀部分之间有经过特殊工艺加工成的空腔。如果强度焊失效时，蒸汽直接从此处排到大气中。

由于換热管数量较少，相应的制作周期也大大缩短。此外，强度胀部分离管板外沿近，所以对胀管器的要求不是很高，制造成本大幅降低。

节能型蒸汽加热器壳程的折流板和普通型蒸汽加热器不同，普通型蒸汽加热器的折流板是一体的，直接固定在壳体内，只要折流板的设计和加工严格按照标准执行就不会发生强度不够及壳程流体短路的现象。而节能型蒸汽加热器的折流板不是一体的，一部分尺寸不能大于管板，否则就无法把管束推进壳体；另一部分在壳体内部和筒体焊接好，等管束固定好以后，再把两部分的折流板连接好。可见，节能型蒸汽加热器折流板的制造与安装难度较大。

通过上述比较可以看出：节能型蒸汽加热器的制造周期短，制造难度相对小，成本也较低。

3 降低污氮气阻力的比较

换热器的压力直接关系到装置的能耗问题，对于蒸汽加热器来说，污氮气的进口压力很低，如果阻力过大会使装置产生一系列问题，如精馏塔的压力过高等。由于结构限制，普通型蒸汽加热器的污氮气阻力一般为5～6kPa，而节能型蒸汽加热器的污氮气阻力能很好地控制为2～3kPa。

有效降低污氮气的阻力，可以起到降低上塔压力，进而降低下塔压力（即空压机排气压力）的作用。

4 结语

与普通型蒸汽加热器相比，节能型蒸汽加热器在换热效率、制造加工和制造成本等方面具有较大优势。经过多套大型空分装置运行的实践证明，节能型蒸汽加热器的可靠性更高，节能效果比较明显。

参考文献：

[1]冯苗根.空分设备分子筛加热流程优化改造及应用[J].深冷技术，2018（2）：4-7.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.热交换器：GB/T 151—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[3]杨代权.蒸汽加热器和电加热器选择分析[J].深冷技术，2018（2）：1-3.