第三章; 热交换器.第一节热交换器的原理和功能;热交换器是用来加热或是冷却介质来达到生产或是生活所需的一种换热设备. 在石油工业中更多的用于利用加热和冷却来达到石油天燃气处理的参数,充分利用和回收利用热能,减少能量损失,浪费. 热交换就是一种热量从高温到低温热传递的过程,而热交换器就是为热能传送所提供的设备.一般的换热器传热是由固体内部的热传导及各种流体与固体表面间的对流传热组合而成.热流体通过间壁与冷流体进行热量交换的传热过程分为三步进行:(1)热流体以对流传热方式将热量传给固体表面;(2)热量以热传导方式由间壁的热侧面传给冷侧面;(3)冷流体以对流方式将间壁传来的热量带走.流体通过间壁的热量交换图中示出了沿热量传递方向从热流体到冷流体的温度分布情况。
热流体以对流方式将热量传给间壁的一侧，如果热流体不发生相变，则热流体的温度逐渐降低；在间壁中沿热流方向温度降低；当热量传给冷流体后，如果冷流体也不发生相变，则其温度将逐渐升高。
第二节热交换器的种类和结构;2.1换热器种类很多，按热量交换的原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类, 而我们石油工业所用的大部分是间壁式的热交换器; 按照传热面的型式，间壁式换热器又可分为夹套式、管式、板式和各种异型传热面组成的特殊型式换热器.A.夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却，夹套安装在容器外部，通常用钢或铸铁制成。
一般用于换热表面积要求低于40平方米的条件下.它的优点是成本低,结构简单,容易维修和适用范围广,但是它所占空间比较大,而且对材质要求比较高, 夹套式换热器由于传热面积的限制，常常难以满足及时移走大量反应热的换热需求,夹套式换热器,在用冷却水进行冷却天燃气时，则冷却水由夹套下部进入，而由上部流出,天燃气从上部的内部管束进人,而由下部的内管流出.下图为一典型夹套式换热器图例.B. 列管式换热器（又称管壳式换热器）是工业上应用最广泛的换热设备。
与前述换热器相比，它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。
由于结构坚固，而且可以选用的结构材料范围广，故适应性强、操作弹性较大，因此在高温高压和大型装置上都采用列管式换热器,在我们平台上应用比较多.列管式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。
管束安装在壳体内，两端固定在管板上。
封头用螺栓与壳体两端的法兰相连。
这种结构易于检修和清洗。
在进行热交换时，一种流体由封头的进口接管进入，通过平行管束的管内，从另一端封头出口接管流出，称为管程；另一流体则由壳体的接管进入，在壳体内从管束的空隙处流过，通过折流板的引导，由壳体的另一个接管流出，称为壳程。
流体通道的选择:体通道的选择可参考以下原则进行：不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程；被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数（Re<100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数。
但是有时在动力设备允许的条件下，将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。
在选择流体通道时，以上各点常常不能兼顾，在实际选择时应抓住主要矛盾。
如首先要考虑流体的压力、腐蚀性和清洗等要求，然后再校核对流传热系数和阻力系数等，以便作出合理的选择。
在列管式换热器中，由于管内外流体的温度不同，管束和壳体的温度和材料不同，因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体的温差较大，就可能由热应力引起设备的变形，管束弯曲，甚至破裂或从管板上松脱。
因此，当两流体的温差超过50℃时，就必须采用一定的热补偿措施。
按热补偿的方法不同，列管式换热器可分为以下几种主要型式(1) 固定管板式换热器当冷、热流体的温差不大时，可采用固定管板的结构型式，即两端管板与壳体是连成一体的。
这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。
但是由于壳程不易清洗或检修，要求壳程流体必须是洁净而且不易结垢的流体。
当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。
图中示出具有膨胀节的壳体。
当壳体和管束的热膨胀不同时，膨胀节即发生弹性变形（拉伸或压缩），以适应壳体和管束不同的热膨胀程度。
这种热补偿方法简单,但是不宜用于两流体温差过大（大于70℃）和壳程压力过高的场合.我们平台上的进口天燃气换热器(inlet G/G exchanger)就是这种类型的.(2) U型管换热器U形管式换热器的管束是由U字形弯管组成，管子的两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有自由伸缩的余地而不受其他管子或壳体的影响。
这种换热器壳程易于清洗，而清除管子内壁的污垢则比较困难，且制造时需要不同曲率的模子弯管，管板的有效利用率较低。
(3) 浮头式换热器浮头式换热器的结构，它的两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，这一端称为固定端；另一端的管板不与壳体连接而可相对于壳体滑动，这一端称为浮头端。
因此，这种型式换热器的管束热膨胀不受壳体的约束，壳体与管束之间不会因热膨胀程度的差异而产生热应力。
在换热器的检修和清洗时，只要将整个管束从固定端抽出即可进行。
但是其缺点是：结构较复杂，金属耗量较多，造价较高。
浮头式换热器适用于冷、热流体温差较大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况C 板式换热器主要由一组长方形的薄金属传热板片构成，用框架将板片夹紧组装于支架上。
两相邻板片的边缘衬以橡胶垫片。
板片四角有圆孔，形成流体通道。
冷、热流体相间地在板片两侧流过，通过板片传热。
板片一般压制成各种槽形或波纹形，既提高了板片的刚度，增强流体的扰流，也增加了传热面积和使流体在传热面上分布均匀。
板式换热器的主要优点是传热系数高。
由于板片上有波纹或沟槽，可使流体在很低的雷诺数下（Re=200）达到湍流，而流动阻力却不大。
板式换热器的结构紧凑，一般板片的间距为4～6mm，单位体积的传热面积可达250～1000m2/m3，比列管式换热器（40～150m2/m3）高出许多。
它还具有可拆卸结构，可根据传热过程需要，用增减板片数目的方法方便地调节传热面积，提高了换热器的操作灵活性。
此外，板式换热器的检修和清洗都比较方便.板式换热器的主要缺点是允许的操作压力和温度都比较低。
通常操作压力低于1.5MPa，最高不超过2.0MPa，操作压力过高容易引起泄漏。
它的操作温度受到板片密封垫片的耐热性限制，一般不超过250℃。
由于板片的间距较小，故操作的处理量也较小。
第三节热交换器在Y13-1平台上的使用3.1 井口冷却器我们在井口中层甲板有四台井口冷却器,它们是属于多管束夹套式换热器下面是一些井口换热器的参数:负载: 56.6x10000BTU/HR 容量: 200MMSCFD 天燃气, 2400BPD凝淅油,6000BPD水设计压力/温度: 壳: 175PSIG/(-20-----175)F 内管: 2250PSIG/(-20-----335)F材料: 壳: 碳钢内管: Lncoloy 825A.作用把从井口生产管汇出来的高温饱和气体,在压力不变的前提下降低温度,使其达到气液饱和状态,这样就会有一部分重烃和水冷凝下来, 在下游生产分离器里就可以达到三相分离了.也提高了生产分离器的分离效果.B.控制和操作上图为简单的井口冷却器流程控制图, 在用冷却水进行冷却天燃气时，冷却水由夹套下部进入，而由上部流出, 天燃气从上部的内部管束进人,而由下部的内管流出. 冷却水的出口有一个温多控制阀, 用它来控制冷却水的流量, 以达到冷却并控制出口天燃气的温度.天燃气出口的温度传感器TT1感应温度并且把数据送人控制系统(PCS), 控制系统随即发出信号给冷却水出口的温度控制阀TV, 给它一个开关的指令来保证冷却水的流量, 达到天燃气出口温度的连续控制, 我们现在把温度控制在98゜F,在天燃气的出口还有一个温度传感器TT2, 它感应温度后传输到我们的设备保护系统(FPS), 设备保护系统有一个温度保护设定点, 设定点是160゜F,如果TT2 的温度达到它的设定点, FPS 就会发出关断信号(USD2301&2401), 天燃气的进口关断阀(SDV)就会关断,这样整个生产串就要停止天燃气处理了.出了温度保护之外还有压力保护设备, 压力保护有三级保护,第一级是一个压力传感器PT, 它感应压力传给FPS, 它的设定点是130PSI,一但压力超过设定点,FPS同样FPS 也会发出关断信号(USD2301&2401), 天燃气的进口关断阀(SDV)就会关断.第二级压力保护是一个压力安全阀,当压力超过它的设定点(140psi),压力安全阀就会释放压力,当压力回复正常后,就会自动关上.第三级压力保护是两个压力保护膜片,设定值分别为165和175psi,当压力达到它的设定点,膜片就会破裂,这样压力就会快速释放掉,起到保护设备的作用,但这种膜片破裂之后,就不能再用了,要换新的,维修起来就比较麻烦,所以我们在生产控制过程中尽量控制好冷却水的压力,避免误操作或操作不当.C.操作和维护经验总结1)在我们日常的生产中有时会遇到突然天燃气出口温度(TT1)升高的情况,这种情况一般是由于开井和调井过程中随着油嘴的开大, 天燃气带出大量的水, 其中大量的水和天燃气形成较短的断塞流, 引起冷却器出口温度的波动,而温度控制阀TV 短时间内的开关比较慢,没能跟上温度变化的原因.这种变化在平时油嘴没有变化时也会遇到,但这种状况下发生的相对较少. 当发生出口温度不稳时,如果温度控制阀(TV)本身没有毛病, 那就是如上所述的原因了,这种情况下就要注意下游了的测试分离器或生产分离器的液位了.2)如果发现温度控制阀(TV)出现了问题, 在不影响生产的情况下如何去维修呢?对于操作来说就是首先就要把温度控制阀隔离出来, 由于我们在冷却水的系统上都用的是碟阀,碟阀的开度对于流量变化较大,所以开关时要谨慎.这时,我们首先把冷却水泵出口的低压关断旁通,然后慢慢的打开温度控制阀的旁通阀,直到流量大于原来的大约500GPM,然后在慢慢的把旁通阀的上游阀关上,这样就把温度控制阀给隔离出了来,然后再根据天燃气的出口温度手动调节旁通阀的开度,以达到手动控制天燃气出口温度的目的.只所以这样做,是因为流体在一定流量和循环量的条件下, 去关温度控制阀上游的碟阀时,在小的开度时会瞬间关断流动的流体,流体的压力瞬间会急剧上升,会造成对设备的损坏和不必要的关断, 那样也会使我们的压力保护膜片(PSE)破裂.3)有时我们会碰到温度控制阀打不开的情况,这是因为蝶阀的自身结构的原因和上下游压差太大的缘故,这时我们可以把冷却水泵出口的低压关断旁通,然后慢慢的调节冷却水泵的出口压力,这样就相应的降低了温度控制阀的上下游压差,这样就容易开关了,不过在调节压力的时侯要密切关注其它使用冷却水设备的温度控制.4)有时我们还会遇到天然气进出口的压差(PDT1)会变大,而且上游的压力也会比正常的操作压力高,这就有可能出现在换热器内管结腊,堵塞了气体的正常通道引起的,这种情况下,我们可以减小天燃气的流量,提高天燃气出口的温度设定点,来进行热洗换热器内管,同时进行化学品注射来清除堵塞物,我们这里主要的堵塞物就是石蜡了,通常注的是柴油.一般情况下就会解决问题了.3.2.低温分离器前的气/气热交换器.天燃气在进人低温分离器前还要进行一次换热, 这种换热器是由HEATRIC生产制造出来的, 我们所用的这种类型的英语名称为Printed Circuit Heat Exchanger..这种换热器的优点是体积和重量比较小,换热效率高,按装成本低;缺点是它的狭窄的通道容易被堵塞, 不方便清除.所以一般用在换热介质比较干净的地方.负载: 25.4MMBTU/HR尺寸大小: 23’x18’x136’设计压力和温度: 2250psig/-50---150゜F材料: 低温碳钢.下图为它的内部结构示意图..A.作用经过脱水的天燃气在进人低温分离器之前利用低温分离器出口的低温天燃气来冷却,使其温度降低,能够在通过JT阀时能够更好的降低温度,来达到我们工艺上的温度要求,这样就可以在低温分离器达到更好的分离效果,满足我们合同中的露点要求.B. 控制和操作上图为简单的低温分离器前热交换器的流程控制示意图, 经过脱水的天燃气从脱水塔出来之后温度大约76゜F, 在进入低温分离器前利用其出口天燃气在这里进行换热, 从LTS 出来的天燃气温度为0゜F,现在我们的控制主要是看JT阀上游TT2的温度,从而达到JT阀的降温效果,满足我们生产处理的露点要求, TT2的控制是通过手动控制TV 的开关来调节经过换热器的冷气的流量.以前设计上这个TV是来自动控制TT1的,但现在根据我们多年的操作经验和流程上的优化,用它来控制JT阀上游温度TT2. 这个温度一般控制在25゜F,平时操作中要根据不同的流量作出调节,确保LTS的温度在-3゜F左右,以达到最终的目的,生产合格露点的天燃气,C.操作和维护经验总结1)由于这种换热器其自身结构的特点, 运行时间长了,狭窄的通道难免被堵塞,这样就会影响换热效果, 因为这种换热器不好清理,在堵塞达到一定条件不能满足生产处理需求时就要换掉了.我们A串的换热器就已经换过了,所以在同样的流量下,你可以看到串A换热器需要较少的冷气流量就可以达到换热效果了,而串B需要的就多一点了.而且也可以注意到A串换热器上游的压力稍底于B串换热器上游的压力,着就是因为串B换热器运行时间比较长, 通道被堵塞的缘故.2)如果上游的温度控制和脱水处理不好,有时也会碰到换热通道被水化物堵塞的情况,在初期你会看到压差传感器PDT1的读数会升高,上游的压力也会慢慢升高,而且下游的温度TT2会降低,这是因为在固定的冷气流量下,进口气受阻流量减小的原因,这时就需要你来调节温度控制阀TV来满足出口温度,这时就要考虑到是否是通道被水化物都塞了.同常我们是用注化学品和热洗换热器通道两种方法来解决水化物堵塞的问题,化学品在我们平台上一般是用甲醇,在热气的进口注射甲醇来化掉换热通道内的水化物. 所谓的热洗就是升高换热器出口的温度, 也就是提高换热器的温度,使其粘俯在通道内的水化物因为温度的升高而融化掉,我们可以用一种方法或两种方法同时用来解决水化物堵塞的问题了.3.3海水和冷却水换热器(seawater-cooling water exchanger)我们平台上有三台海水和冷却水热交换器, 下面是一些工作参数:负载: 83.8 MMBTU/H设计压力: 150PSIG设计温度: 150゜F材料: 钛类型: 板式换热器A.作用经过换热温度升高的冷却水,在这里与海水再次进行换热,使其温度降低,以达到在生产系统中与其它介质循环换热的目地.B. 控制和操作我们平台上有三台海水和冷却水换热器, 一般情况下运行两台就可以满足正常的生产条件,它主要是通过一个温度控制阀来控制出口冷却水的温度来满足生产上的要求,鉴于实际上的应用,平常都是把温度控制阀控制在全关的状态,得到在运行时最低的冷却水出口温度.海水和冷却水换热器的选择主要是依据平台天燃气的产量来决定.C. 维护我们平台的海水换热器所用材料为钛, 在将近十年的运行过程中, 一直保持着很好的运行状态, 没有因为海水腐蚀等方面的原因维修过. 钛及其合金具有很多优点：强度高；耐蚀性优异；弹性模量低；疲劳性能好；易于冷成形；容易焊接；合金种类多；费用稳定；重量轻.钛在流动的海水中具有非常优良的耐蚀性,钛金属离子也不会溶出;钛生物体没有毒性,对周围的生态环境没有影响;。