一种立式蒸汽过热器的制作方法

本发明涉及石油炼制与化工行业所用的一种立式蒸汽过热器。

背景技术：

在石油炼制与化工行业中，常采用蒸汽过热器(立式或卧式)回收高温工艺气体(例如烃类气体)的余热，产生过热蒸汽(蒸汽指的是水蒸汽)；过热蒸汽可用于发电或作为工艺装置动力气源。由于工作条件苛刻，对蒸汽过热器的可靠性和安全性要求较高。现有的蒸汽过热器一般采用常规的u型管换热器，设有壳程壳体、管程壳体、管板、多根u型管。管程壳体的内腔中设有隔板；管板与管程壳体为整体部件，管板设于壳程壳体与管程壳体之间。u型管设于壳程壳体的内腔中；u型管入口与管板的u型管入口部分(半圆形)相连，u型管出口与管板的u型管出口部分(半圆形)相连。管程介质为工艺气体，壳程介质为蒸汽。管程壳体的内壁通常设置绝热衬里，壳程壳体的内壁因与蒸汽接触而不设置绝热衬里。上述的蒸汽过热器在高温高压条件下操作时(指换热后得到的过热蒸汽的温度在500℃以上、压力在10mpa以上，换热前工艺气体的温度在600℃以上、压力在1mpa以上)，存在着以下问题：(1)由于换热后得到的过热蒸汽和换热前的工艺气体分别在壳程壳体和管程壳体的内腔中，所以壳程壳体需要采用耐高温的高强钢材料(例如2.25crmov)制造，壁厚通常大于300毫米，从而需要用锻造方法制造。管程壳体通常可以使用普通的低合金钢(例如q345r)板材制造。由于壳程壳体的尺寸远大于管程壳体的尺寸，蒸汽过热器的成本主要是由壳程壳体的成本决定的，因此上述蒸汽过热器的成本较高。(2)管板的u型管入口部分与u型管出口部分的温差较大(通常大于200℃)，使管板沿垂直于u型管入口部分与u型管出口部分的分界线(管板直径)的方向向两侧膨胀。管板以及管板与管程壳体连接处的热应力较大，易于发生强度破坏。还有一些与高温高压操作无关的问题是，在壳程壳体的内腔中，蒸汽与u型管中的工艺气体不是进行纯逆流换热，换热效果不够理想。换热后的蒸汽有时与换热前的蒸汽接触进行再次换热，会造成热损失。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种立式蒸汽过热器，以解决现有的蒸汽过热器在高温高压条件下操作时所存在的因需要使用高强钢材料锻造制造壳程壳体而使蒸汽过热器的成本较高、管板以及管板与管程壳体连接处的热应力较大而易于发生强度破坏的问题，以及在壳程壳体的内腔中蒸汽与u型管中的工艺气体不是进行纯逆流换热而使换热效果不够理想等问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种立式蒸汽过热器，设有壳程壳体、管程壳体、管板和u型管，管板与管程壳体为整体部件，管板设于壳程壳体与管程壳体之间，u型管设于壳程壳体的内腔中，u型管入口和出口与管板相连，u型管入口与管程壳体的内腔相通，其特征在于：壳程壳体的内腔中自内向外垂直设置有中心管、内套筒和外套筒，内套筒的顶部与管板相连，外套筒的底部与中心管的下部之间设有内封头，中心管与内套筒之间形成内侧换热通道，内套筒与外套筒之间形成外侧换热通道，外套筒与壳程壳体之间形成流动通道，中心管的顶部与内侧换热通道的顶部相通，内侧换热通道的底部与外侧换热通道的底部相通，外侧换热通道的顶部与流动通道的顶部相通，流动通道的底部与壳程壳体内腔的下部相通，u型管入口管段的主体位于外侧换热通道中，u型管返回管段的主体位于内侧换热通道中，中心管的下部与工艺气体进气管相连，并设有调节阀，壳程壳体上设有工艺气体出口管，管程壳体上设有蒸汽入口管，管程壳体的内腔中，在管板的中部设有集汽室，u型管出口与集汽室相通，集汽室上设有过热蒸汽出口管，通往管程壳体的外部。

采用本发明，具有如下的有益效果：(1)操作过程中，管程介质为蒸汽、壳程介质为工艺气体。换热前的工艺气体进入中心管，再在内侧换热通道和外侧换热通道中与u型管中的蒸汽换热，不与壳程壳体接触；只有温度较低的换热后的工艺气体才与壳程壳体接触。另一方面，换热后的蒸汽进入集汽室，再通过过热蒸汽出口管排出，不与管程壳体接触；只有温度较低的换热前的蒸汽才与管程壳体接触。因此，壳程壳体和管程壳体都只需要使用普通的低合金钢即可制造。壳程壳体的壁厚通常不超过50毫米，管程壳体的壁厚通常不超过200毫米，均能使用板材制造，不必采用锻造；壳程壳体内壁在正常操作情况下不必为防止与工艺气体接触而设置绝热衬里，管程壳体内壁因与蒸汽接触而不设置绝热衬里。本发明相对于现有蒸汽过热器所增加的中心管、内套筒、外套筒、内封头、工艺气体进气管、集汽室的壳体、过热蒸汽出口管等部件，因承受的压差较小，所以可以使用不锈钢板材或管材制造；其厚度较薄(通常不超过20毫米)、重量较小，使材料与制造的总体费用较低。即使需要在一些部件的表面涂敷隔热涂料(详见本发明说明书具体实施方式部分的说明)，费用也是较低的。以上因素，使本发明立式蒸汽过热器的成本较低。(2)在集汽室所在的管板中部为u型管出口部分、温度较高，围绕u型管出口部分的管板其余部分为u型管入口部分、温度较低。尽管两部分的温差较大，但由于管板温度沿径向呈辐射状降低，管板在360度方向上沿径向均匀膨胀，从而能够有效地降低管板以及管板与管程壳体连接处的热应力，避免发生强度破坏，保证立式蒸汽过热器安全、可靠地运行。(3)u型管入口管段中的蒸汽与外侧换热通道中的工艺气体、u型管返回管段中的蒸汽与内侧换热通道中的工艺气体，均是进行纯逆流换热，换热效果比较理想。(4)蒸汽由管程壳体的内腔进入u型管，在u型管中流动并与工艺气体换热，换热后的蒸汽进入集汽室，最后从过热蒸汽出口管流出。因此，换热后的蒸汽不与换热前的蒸汽进行再次换热，避免了热损失。工艺气体从工艺气体进气管进入中心管，之后依次进入内侧换热通道、外侧换热通道，与u型管中的蒸汽进行换热。换热后的工艺气体进入流动通道、壳程壳体内腔的下部，最后从工艺气体出口管流出。因此，各通道中的工艺气体不与其它通道或中心管中的工艺气体换热，工艺气体仅与u型管中的蒸汽进行纯逆流换热，能实现高效换热。

本发明主要用于石油炼制与化工行业中，以制取高温高压过热蒸汽。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明立式蒸汽过热器的结构示意图。

图2是图1中的a—a剖视图(放大)。

图3是图1中的b—b剖视图(放大)。

图1至图3中，相同附图标记表示相同的技术特征。图2和图3中的小圆表示u型管，图2中未示出管程法兰和壳程法兰，图3中未示出壳程入口管、工艺气体进气管和工艺气体出口管等部件。图1中，以空心箭头表示蒸汽的流动方向，实心箭头表示工艺气体的流动方向。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本发明的立式蒸汽过热器设有壳程壳体1、管程壳体2、管板5和u型管，壳程壳体1、管程壳体2和u型管立式设置。管板5与管程壳体2为整体部件(锻造或焊接)，管板5设于壳程壳体1与管程壳体2之间。u型管设于壳程壳体1的内腔中，u型管入口和出口与管板5相连，u型管入口与管程壳体2的内腔相通。壳程壳体1的内腔中自内向外垂直设置有中心管6、内套筒7和外套筒8，中心管6、内套筒7和外套筒8与壳程壳体1同轴设置。内套筒7的顶部与管板5相连，外套筒8的底部与中心管6的下部之间设有内封头4。外套筒8的下部通过几个均布的支撑件14与壳程壳体1固定连接。

中心管6与内套筒7之间形成内侧换热通道9，内套筒7与外套筒8之间形成外侧换热通道10，外套筒8与壳程壳体1之间形成流动通道11。中心管6的顶部与内侧换热通道9的顶部相通，内侧换热通道9的底部与外侧换热通道10的底部相通，外侧换热通道10的顶部与流动通道11的顶部相通，流动通道11的底部与壳程壳体1内腔的下部相通。u型管入口管段31的主体(即大部分)位于外侧换热通道10中，u型管返回管段32的主体(即大部分)位于内侧换热通道9中。

中心管6的下部与工艺气体进气管15相连，并设有调节阀23；调节阀23的阀杆从壳程壳体1的底部伸出。调节阀23用于调节进入中心管6以及内侧换热通道9和外侧换热通道10的工艺气体的流量，使整个换热过程平稳进行。调节阀23可使用现有的耐高温的调节阀，例如耐高温的塞阀。为防止调节阀23发生泄漏、泄漏出的高温工艺气体与壳程壳体1内壁的下部接触形成局部高温，可在壳程壳体1内壁的下部设置绝热衬里。本发明所用的绝热衬里可以是耐高温高压的刚玉等类型的绝热衬里。

如图1所示，壳程壳体1的下部设有壳程入口管150，工艺气体进气管15从壳程入口管150穿过，两管之间设有绝热衬里。壳程壳体1的下部设有工艺气体出口管16，工艺气体出口管16的内壁设有绝热衬里。

管程壳体2上设有蒸汽入口管17。管程壳体2的内腔中，在管板5的中部设有集汽室12，u型管出口与集汽室12相通。集汽室12的顶部设有过热蒸汽出口管13，通往管程壳体2的外部。如图1所示，管程壳体2上设有管程出口管130，过热蒸汽出口管13从管程出口管130穿过，两管之间设有绝热材料(例如耐高温高压的陶瓷纤维绳)。

壳程壳体1的下部设有壳程人孔21，管程壳体2的顶部设有管程人孔20，以便于人员进入壳程壳体1和管程壳体2的内腔进行检查、维修。壳程壳体1的顶部和管程壳体2的底部通过壳程法兰18和管程法兰19连接。管板5与管程壳体2为整体部件，能够承受蒸汽的作用，且便于u型管以及其它壳程内构件的安装。将管板5向外延伸出一个圆环形部分，可作为管程法兰19。

壳程壳体1、管程壳体2、u型管、中心管6、内套筒7、外套筒8、工艺气体进气管15、壳程入口管150、工艺气体出口管16、蒸汽入口管17、过热蒸汽出口管13、管程出口管130的横截面形状均为圆形，内侧换热通道9、外侧换热通道10、流动通道11的横截面形状均为圆环形，管板5的形状为圆形。内封头4的形状可以是倒置的圆锥面形(如图1所示)，也可以是倒置的半球面形(图略)。图1和图2所示集汽室12的壳体由下部的圆筒形筒体和上部的圆锥面形筒体组成，它们通常与管程壳体2同轴设置。壳程壳体1与管程壳体2通常是同轴设置。

根据蒸汽与工艺气体换热量的大小，立式蒸汽过热器可以设置几十根至几百根的u型管。参见图1、图2和图3，本发明的一种方案是，同一种规格的u型管绕壳程壳体1的轴心线均匀设置、组成一组u型管。一组u型管中，u型管入口位于管板的u型管入口部分(圆环形)、与壳程壳体1的轴心线同轴的一个布管圆上，u型管出口位于管板的u型管出口部分(圆形)、与壳程壳体1的轴心线同轴的另一个布管圆上。不同组u型管中的u型管入口和u型管出口，分别位于圆心相同但半径不同的多个布管圆上。

中心管6、内套筒7、外套筒8、内封头4、工艺气体进气管15、集汽室12的壳体和过热蒸汽出口管13的表面上涂敷有隔热涂料，可以单面涂敷或双面涂敷。隔热涂料应能耐换热前后的蒸汽或工艺气体的温度，例如磷酸盐铝粉涂料。

为强化换热效果，内侧换热通道9和外侧换热通道10中最好均设有折流板22，折流板22可以使用各种常用的折流板。图1和图3所示的折流板22为带有外圆环缺口的圆环形折流板和带有内圆环缺口的圆环形折流板，在内侧换热通道9和外侧换热通道10中上下交替设置。u型管入口管段31和u型管返回管段32从折流板22上的开孔穿过。

中心管6、内套筒7、外套筒8、内封头4、工艺气体进气管15、集汽室12的壳体、过热蒸汽出口管13、折流板22等部件，通常使用不锈钢(例如奥氏体不锈钢)板材或管材制造。这些部件的壁厚一般为6～20毫米。

壳程壳体1和管程壳体2通常使用普通的低合金钢(例如q345r)板材制造。壳程壳体1的壁厚一般不超过50毫米，管程壳体2的壁厚一般不超过200毫米。u型管和管板5的材料和壁厚与现有在高温高压条件下操作的立式蒸汽过热器中所用的u型管和管板的材料和壁厚基本相同。

本发明的立式蒸汽过热器可以采用裙座或耳座立式支撑(图略)。除说明的以外，各部件之间的连接一般均采用焊接连接。

下面结合附图说明本发明立式蒸汽过热器的操作过程。蒸汽24从蒸汽入口管17进入管程壳体2的内腔，再从u型管入口进入u型管，在u型管中流动。工艺气体25从工艺气体进气管15、调节阀23进入中心管6的下部，在中心管6中向上流动，再从中心管6的顶部流出，从内侧换热通道9的顶部进入内侧换热通道9。进入内侧换热通道9中的工艺气体在内侧换热通道9中向下流动，与在u型管返回管段32中向上流动的蒸汽进行纯逆流换热(如图1所示)。在内侧换热通道9中换热后的工艺气体从内侧换热通道9的底部流出，从外侧换热通道10的底部进入外侧换热通道10。进入外侧换热通道10中的工艺气体在外侧换热通道10中向上流动，与在u型管入口管段31中向下流动的蒸汽进行纯逆流换热(如图1所示)。在外侧换热通道10中换热后的工艺气体从外侧换热通道10的顶部流出，从流动通道11的顶部进入流动通道11。进入流动通道11中的工艺气体在流动通道11中向下流动，从流动通道11的底部进入壳程壳体1内腔的下部，最后从工艺气体出口管16流出。在u型管中与工艺气体换热后的蒸汽成为过热蒸汽，从u型管出口流出，进入集汽室12，最后从过热蒸汽出口管13流出。图1中，附图标记240表示换热后得到的过热蒸汽，附图标记250表示换热后的工艺气体。

在上述的操作过程中，蒸汽入口管17中蒸汽24的温度一般为300～350℃，压力一般为10～15mpa；过热蒸汽出口管13中过热蒸汽240的温度一般为500～600℃，压力一般为10～15mpa；工艺气体进气管15中工艺气体25的温度一般为600～900℃，压力一般为1～5mpa；工艺气体出口管16中换热后工艺气体250的温度一般为300～450℃，压力一般为1～5mpa。本发明提到的压力均为表压。