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新技术推荐:耐高温耐高压焊接板式换热器技术和产品介绍!

  为了及时全面地反映我国炼油与石化工业最新技术发展,集中展现我国炼油与石化技术成果,进一步加快我国石化工业技术可持续发展步伐,提升工艺技术与设备管理水平,促进我国炼化工业可持续发展。石化缘将继续于2022年7月第一个工作日开始,系列推出一年一度石油化工行业新技术,让行业同仁们第一时间了解我国石油化工领域新技术、新工艺、新材料、新设备,促进合作交流!

  二、产业概况鉴于炼化行业的实际需求,中国船舶集团有限公司第七一一研究所近年来致力于全焊接类板式换热器产品的国产化研究(方形焊接板式,板壳式,板式空气预热器等)迅速占领市场,已销售超1000余台,打破了国外厂商的垄断局面,在国内属于领先水平,在业内取得了很好的应用业绩,成功实现了全焊接类板式换热器产品的本土化和国产化,极大地降低了国内用户的使用成本,促进了国家节能环保的发展。在上海奉贤建成国内一流的焊接板式换热器制造基地,自主研制开发了石化领域内需求量大的三个系列,40余个型号的焊接板换产品(材质涵盖不锈钢,钛材及哈氏合金等),目前已授权专利40余项,其中发明专利10余项;发表论文近30余篇,技术成果获得2019年度中船重工集团优秀发明专利奖,2021年度中国船舶集团科技进步一等奖。

  我所参研的《常减压大型全焊接板式换热器国产化技术研究》项目获批为中石化集团2021年重大装备国产化项目。中石化重大装备国产化项目是根据中石化集团公司发展战略,投资项目,生产需要组织开展的具有自主知识产权的国内首台(套)重大装备、关键材料研制项目。该项目依托镇海炼化Ⅱ套常减压装置改造项目,为业主提供两台大型号QYB120型号的焊接板换,是国产品牌的首台套应用。我所QYB120系列产品最大设计面积可达840平方米,设计压力最高达4.5MPa,最高设计温度达350℃。

  我所也持续入选了中海油集团总公司“三新三化”推广名录。“三新”即 :新思想、新技术、新方法 ;“三化”即简易化、标准化、国产化。中海油以“三新三化”来推动改革创新,打造强身之基础,增强企业的竞争力。2018年,依托我所在“文昌海上平台”板壳式国产化改造项目上取得的显著经济效益,我所换热器产品首次入选了中海油集团总公司“三新三化”推广名录,后续陆续在涠洲,渤海等平台上得到了广泛应用,为中海油集团装备革新起了积极的促进作用。

  面板可拆式全焊接板式换热器是紧凑式换热器家族中的一种新产品,如图1所示,全焊接结构的板芯被放置在四根靠螺栓固定的立柱之间,上下部分别有维持压力的压板,四周有四块面板用以维持压力和密封流体。四个面板上带有流体进出口的连接管嘴。梁柱、顶底板、面板通过螺栓进行连接,全螺栓连接结构使得面板可以快速拆卸,进而对板束进行清理和维护。由于板与板之间采用焊接连接,未采用垫片,使得它可以应用于高温高压的场合。波纹板片结构使得流动湍流程度高,换热系数是常规管壳式换热器2~4倍。相同工况下,此种换热器所需的换热面积仅为常规管壳式的25-50%。

  711所生产的可拆全焊接板式换热器的板片为正方形,板片厚度0.8mm~1.2mm。板片的材质丰富多样,常见的材质有304L、316L、Ti、254SMO、Duplex 2205、Inconel 625等,通过压机在板片表面压制形成复杂的波纹结构,波纹深度通常为5mm。可拆全焊接板式换热器的板片间采用激光自动焊接进行焊接,板片组与梳齿板采用等离子自动焊接,焊缝质量稳定可靠。芯体焊接完成后通着色检验、鼓泡、氦检漏、水压试验等一系列检验措施,确保所有焊缝和换热器整机的安全性和可靠性。图 3至图5展示了711所的可拆全焊接板式换热器从板片到整机的生产过程。711所的可拆全焊接板式换热器换热器的面板拆卸后,板片间所有焊缝均可见,方便清洗维护,如图6和图7所示。

  板壳式换热器集板式、管壳式换热器的优点于一体。如图8所示,它具有传热效率高、末端温差小、耐高温高压、紧凑化以及重量轻等优点。

  板壳式换热器是管壳式与板框式换热器的结合体。如图9所示,板壳式换热器具有类似于板式换热器的波纹板片结构。板片外形为圆形,片与片之间通过焊接形成板束,类似于管束一样放置于壳体中。板壳式换热器板片之间不使用垫片,使得它可以用于普通板框式换热器无法应用的高温、高压场合。板壳式换热器使用压力范围为F.V.至10MPa,温度范围为-200℃至450℃。

  除了保持板换的高效传热等优点,板壳式还有一些独特的优点。板壳式换热器采用圆形板片,工作状态下,圆形板片的应力分布更加均匀,没有应力集中点,能够承受更大压差,温差,疲劳交变工况等。

  711所结合传热试验和数值仿真技术自行研发的焊接板式换热器计算软件(CSICHT)进行计算和校核,目前已经过近1000台现场运行数据的校核和验证,选型准确度非常高。

  711所高效换热器产品的焊接采用智能化激光焊接机器人实现,激光焊接具有如下优点:

  (1)2015年九江石化常减压装置2015年,中国石油化工股份有限公司九江分公司油品质量升级改造工程2#常减压改造项目中采用了中国船舶重工集团第七一一研究所生产的10台可拆式全焊接板式换热器,这也是国内该类换热器在石油化工企业常减压装置首次正式投用,并且经过近7年的使用,设备各项性能达标,运行稳定。此处试用为可拆全焊接板式换热器国产化迈出了实质性的一步,并且成效显著。

  我所参研的《常减压大型全焊接板式换热器国产化技术研究》项目获批为中石化集团2021年重大装备国产化项目。中石化重大装备国产化项目是根据中石化集团公司发展战略,投资项目,生产需要组织开展的具有自主知识产权的国内首台(套)重大装备、关键材料研制项目。该项目依托镇海炼化Ⅱ套常减压装置改造项目,将为业主提供两台大型号QYB120型号的焊接板换,是国产品牌的首台套应用。我所QYB120系列产品最大设计面积可达840平方米,设计压力最高达4.5MPa,最高设计温度达350℃。

  我所的的全焊接板式换热器成功用于芳烃低温热利用项目,10台换热器的各项指标均达到设计要求。在满负荷运行下,可通过热媒水介质取出抽出液塔、甲苯塔,重芳烃塔等塔顶气的余热合计28.3MW,这部分热量可用于装置中的除氧水,除盐水的加热,实现芳烃装置低温热的有效利用,降低装置能耗。

  芳烃装置塔顶抽余液、抽出液等介质的低温热利用一直是一个国际性难题,其主要原因之一是异构化催化剂及吸附剂对水含量有严格的限制,换热器一旦泄露,都可能导致水损坏异构化催化剂和吸附剂。无论是采用低压蒸汽还是热水回收,都对换热器的可靠性有极高的要求,同时由于是热回收领域,换热器还需具有换热效率高,占地小,体积轻等要求。

  2020年11月,由长庆油田承建的国内首个大型乙烷回收项目顺利投产成功。中国船舶集团有限公司第七一一研究所为该项目提供了近40台套的全焊接板壳式换热器,应用涉及天然气脱硫,脱碳,脱水,轻烃回收等装置。这批换热器累计换热器面积超8000平方米,最高设计压力5.2MPa,最低设计温度-100℃。

  天然气中含有丰富的C2+组分,回收后可以得到乙烷、液化石油气和稳定轻烃等产品,其中,乙烷是优质的乙烯原料。该乙烷回收项目在国内首次采用了“混合冷剂预冷+膨胀制冷+双气过冷+低温精馏”天然气碳二以上回收工艺,乙烷回收率超过92%,各项技术指标达到国际先进水平。为了保证整体工艺的顺利实现且因高压天然气介质有易燃易爆的特性,业主方对各装置中换热器的换热效率和设备的可靠性提出了极高的要求。

  711所此次提供的板壳式换热器,较传统的管壳式换热器的传热效率有2-3倍的提升,占地面积仅为管壳式换热器的1/3-1/5,能很好的满足工艺换热的需求。同时芯体换热板之间采用激光焊接技术,外部具有承压壳体,整台设备设备寿命达15年。每台设备出厂前都经过严格的氦检漏试验,泄漏量指标低于10 -7 Pam 3 s - 1 。该项目为板壳式换热器在国内天然气领域的首次大规模应用,成功应用将为同类项目提供借鉴,有效提高行业的换热能效水平。

  2021年中海油天津分公司工程建设中心对我所承接的海上平台换热器加热撬块进行了出厂验收。在此之前,整个撬块也顺利通过了中国船级社的型式认证。

  我所此次承接的两套换热器撬块将用于渤海油田旅大5-2北海上平台,核心元件采用了钛材的全焊接板式换热器。这是我所换热器业务继中国特检院能效试验台,文昌FPSO原油加热撬块等项目后再次承接的总包项目。渤海油田旅大5-2北海上平台的投产,将进一步推动稠油热采规模化开发的进程,为我国海上稠油高效开发提供有效技术支撑。渤海油田在数十亿吨的石油地质探明储量中,有一半以上都是稠油,但每年超3000万吨的油气年产量中,热采稠油产量占比不足1%,将稠油储量变产量是实现我国海洋石油事业高质量发展的重要技术和资源保障。

  2020年,我所的全焊接板式换热器成功用于京博石化烷烃脱氢装置产物压缩机出口热量回收项目,3台换热器的各项指标均达到设计要求。采用水做媒介,首先同产物压缩机出口烷烃介质进行换热,回收原流程中进入空冷散放的热量。热水进一步用于脱异丁烷塔底重沸器热源,取代原流程中的蒸汽热源。根据现场实测值,每小时可以节省4.2吨蒸汽。满负荷运行下,全年预计节能效益400余万元,不到半年即可回收设备成本。

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