本實用新型涉及石油煉制與化工行業(yè)所用的一種臥式蒸汽過熱器。

背景技術：

在石油煉制與化工行業(yè)中，常采用蒸汽過熱器(立式或臥式)回收高溫工藝氣體(例如烴類氣體)的余熱，產(chǎn)生過熱蒸汽(蒸汽指的是水蒸汽)；過熱蒸汽可用于發(fā)電或作為工藝裝置動力氣源。由于工作條件苛刻，對蒸汽過熱器的可靠性和安全性要求較高。現(xiàn)有的蒸汽過熱器一般采用常規(guī)的U型管換熱器，設有殼程殼體、管程殼體、管板、多根U型管。管程殼體的內(nèi)腔中設有隔板；管板與管程殼體為整體部件，管板設于殼程殼體與管程殼體之間。U型管設于殼程殼體的內(nèi)腔中；U型管入口與管板的U型管入口部分(半圓形)相連，U型管出口與管板的U型管出口部分(半圓形)相連。管程介質(zhì)為工藝氣體，殼程介質(zhì)為蒸汽。管程殼體的內(nèi)壁通常設置絕熱襯里，殼程殼體的內(nèi)壁因與蒸汽接觸而不設置絕熱襯里。上述的蒸汽過熱器在高溫高壓條件下操作時(指換熱后得到的過熱蒸汽的溫度在500℃以上、壓力在10MPa以上，換熱前工藝氣體的溫度在600℃以上、壓力在1MPa以上)，存在著以下問題：(1)由于換熱后得到的過熱蒸汽和換熱前的工藝氣體分別在殼程殼體和管程殼體的內(nèi)腔中，所以殼程殼體需要采用耐高溫的高強鋼材料(例如2.25CrMoV)制造，壁厚通常大于300毫米，從而需要用鍛造方法制造。管程殼體通?？梢允褂闷胀ǖ牡秃辖痄?例如Q345R)板材制造。由于殼程殼體的尺寸遠大于管程殼體的尺寸，蒸汽過熱器的成本主要是由殼程殼體的成本決定的，因此上述蒸汽過熱器的成本較高。(2)管板的U型管入口部分與U型管出口部分的溫差較大(通常大于200℃)，使管板沿垂直于U型管入口部分與U型管出口部分的分界線(管板直徑)的方向向兩側(cè)膨脹。管板以及管板與管程殼體連接處的熱應力較大，易于發(fā)生強度破壞。還有一些與高溫高壓操作無關的問題是，在殼程殼體的內(nèi)腔中，蒸汽與U型管中的工藝氣體不是進行純逆流換熱，換熱效果不夠理想。換熱后的蒸汽有時與換熱前的蒸汽接觸進行再次換熱，會造成熱損失。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種臥式蒸汽過熱器，以解決現(xiàn)有的蒸汽過熱器在高溫高壓條件下操作時所存在的因需要使用高強鋼材料鍛造制造殼程殼體而使蒸汽過熱器的成本較高、管板以及管板與管程殼體連接處的熱應力較大而易于發(fā)生強度破壞的問題，以及在殼程殼體的內(nèi)腔中蒸汽與U型管中的工藝氣體不是進行純逆流換熱而使換熱效果不夠理想等問題。

為解決上述問題，本實用新型采用的技術方案是：一種臥式蒸汽過熱器，設有殼程殼體、管程殼體、管板和U型管，管板與管程殼體為整體部件，管板設于殼程殼體與管程殼體之間，U型管設于殼程殼體的內(nèi)腔中，U型管入口和出口與管板相連，U型管入口與管程殼體的內(nèi)腔相通，殼程殼體的一端與管程殼體的一端通過法蘭連接，另一端為殼程封頭，其特征在于：殼程殼體的內(nèi)腔中自內(nèi)向外水平設置有中心管、內(nèi)套筒和外套筒，內(nèi)套筒的一端與管板相連，外套筒靠近殼程封頭的一端至中心管靠近殼程封頭的部分設有內(nèi)封頭，中心管與內(nèi)套筒之間形成內(nèi)側(cè)換熱通道，內(nèi)套筒與外套筒之間形成外側(cè)換熱通道，外套筒與殼程殼體之間形成流動通道，中心管與內(nèi)側(cè)換熱通道在靠近管板的一端相通，內(nèi)側(cè)換熱通道與外側(cè)換熱通道在靠近U型管尾端的一端相通，外側(cè)換熱通道與流動通道在靠近管板的一端相通，流動通道的另一端與殼程殼體的內(nèi)腔在靠近殼程封頭的部分相通，U型管入口管段的主體位于外側(cè)換熱通道中，U型管返回管段的主體位于內(nèi)側(cè)換熱通道中，中心管在靠近殼程封頭的部分與工藝氣體進氣管相連，并設有調(diào)節(jié)閥，殼程殼體上設有工藝氣體出口管，管程殼體上設有蒸汽入口管，管程殼體的內(nèi)腔中，在管板的中部設有集汽室，U型管出口與集汽室相通，集汽室上設有過熱蒸汽出口管，通往管程殼體的外部。

采用本實用新型，具有如下的有益效果：(1)操作過程中，管程介質(zhì)為蒸汽、殼程介質(zhì)為工藝氣體。換熱前的工藝氣體進入中心管，再在內(nèi)側(cè)換熱通道和外側(cè)換熱通道中與U型管中的蒸汽換熱，不與殼程殼體接觸；只有溫度較低的換熱后的工藝氣體才與殼程殼體接觸。另一方面，換熱后的蒸汽進入集汽室，再通過過熱蒸汽出口管排出，不與管程殼體接觸；只有溫度較低的換熱前的蒸汽才與管程殼體接觸。因此，殼程殼體和管程殼體都只需要使用普通的低合金鋼即可制造。殼程殼體的壁厚通常不超過50毫米，管程殼體的壁厚通常不超過200毫米，均能使用板材制造，不必采用鍛造；殼程殼體內(nèi)壁在正常操作情況下不必為防止與工藝氣體接觸而設置絕熱襯里，管程殼體內(nèi)壁因與蒸汽接觸而不設置絕熱襯里。本實用新型相對于現(xiàn)有蒸汽過熱器所增加的中心管、內(nèi)套筒、外套筒、內(nèi)封頭、工藝氣體進氣管、集汽室的殼體、過熱蒸汽出口管等部件，因承受的壓差較小，所以可使用不銹鋼板材或管材制造；其厚度較薄(通常不超過20毫米)、重量較小，使材料與制造的總體費用較低。即使需要在一些部件的表面涂敷隔熱涂料(詳見本實用新型說明書具體實施方式部分的說明)，費用也是較低的。以上因素，使本實用新型臥式蒸汽過熱器的成本較低。(2)在集汽室所在的管板中部為U型管出口部分、溫度較高，圍繞U型管出口部分的管板其余部分為U型管入口部分、溫度較低。盡管兩部分的溫差較大，但由于管板溫度沿徑向呈輻射狀降低，管板在360度方向上沿徑向均勻膨脹，從而能夠有效地降低管板以及管板與管程殼體連接處的熱應力，避免發(fā)生強度破壞，保證臥式蒸汽過熱器安全可靠地運行。(3)U型管入口管段中的蒸汽與外側(cè)換熱通道中的工藝氣體、U型管返回管段中的蒸汽與內(nèi)側(cè)換熱通道中的工藝氣體，均是進行純逆流換熱，換熱效果比較理想。(4)蒸汽由管程殼體的內(nèi)腔進入U型管，在U型管中流動并與工藝氣體換熱，換熱后的蒸汽進入集汽室，最后從過熱蒸汽出口管流出。因此，換熱后的蒸汽不與換熱前的蒸汽進行再次換熱，避免了熱損失。工藝氣體從工藝氣體進氣管進入中心管，之后依次進入內(nèi)側(cè)換熱通道、外側(cè)換熱通道，與U型管中的蒸汽進行換熱。換熱后的工藝氣體進入流動通道、殼程殼體內(nèi)腔靠近殼程封頭的部分，最后從工藝氣體出口管流出。因此，各通道中的工藝氣體不與其它通道或中心管中的工藝氣體換熱，工藝氣體僅與U型管中的蒸汽進行純逆流換熱，能實現(xiàn)高效換熱。

本實用新型主要用于石油煉制與化工行業(yè)中，以制取高溫高壓過熱蒸汽。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。附圖和具體實施方式并不限制本實用新型要求保護的范圍。

附圖說明

圖1是本實用新型臥式蒸汽過熱器的結(jié)構示意圖。

圖2是圖1中的A—A剖視圖(放大)。

圖3是圖1中的B—B剖視圖(放大)。

圖1至圖3中，相同附圖標記表示相同的技術特征。圖2和圖3中的小圓表示U型管，圖2中未示出管程法蘭和殼程法蘭，圖3中未示出殼程入口管、工藝氣體進氣管和工藝氣體出口管等部件。圖1中，以空心箭頭表示蒸汽的流動方向，實心箭頭表示工藝氣體的流動方向。

具體實施方式

參見圖1、圖2和圖3，本實用新型的臥式蒸汽過熱器設有殼程殼體1、管程殼體2、管板5和U型管，殼程殼體1、管程殼體2和U型管水平設置。管板5與管程殼體2為整體部件(鍛造或焊接)，管板5設于殼程殼體1與管程殼體2之間。U型管設于殼程殼體1的內(nèi)腔中，U型管入口和出口與管板5相連，U型管入口與管程殼體2的內(nèi)腔相通。殼程殼體1的一端與管程殼體2的一端通過殼程法蘭18和管程法蘭19連接，另一端為殼程封頭。殼程殼體1的內(nèi)腔中自內(nèi)向外水平設置有中心管6、內(nèi)套筒7和外套筒8，中心管6、內(nèi)套筒7和外套筒8與殼程殼體1同軸設置。內(nèi)套筒7的一端與管板5相連，外套筒8靠近殼程封頭的一端至中心管6靠近殼程封頭的部分設有內(nèi)封頭4。外套筒8通過若干個支撐件14與殼程殼體1固定連接。

中心管6與內(nèi)套筒7之間形成內(nèi)側(cè)換熱通道9，內(nèi)套筒7與外套筒8之間形成外側(cè)換熱通道10，外套筒8與殼程殼體1之間形成流動通道11。中心管6與內(nèi)側(cè)換熱通道9在靠近管板5的一端相通，內(nèi)側(cè)換熱通道9與外側(cè)換熱通道10在靠近U型管尾端(即半圓彎管)的一端相通，外側(cè)換熱通道10與流動通道11在靠近管板5的一端相通，流動通道11的另一端與殼程殼體1的內(nèi)腔在靠近殼程封頭的部分相通。U型管入口管段31的主體(即大部分)位于外側(cè)換熱通道10中，U型管返回管段32的主體(即大部分)位于內(nèi)側(cè)換熱通道9中。

中心管6在靠近殼程封頭的部分與工藝氣體進氣管15相連，并設有調(diào)節(jié)閥23；調(diào)節(jié)閥23的閥桿從殼程封頭伸出。調(diào)節(jié)閥23用于調(diào)節(jié)進入中心管6以及內(nèi)側(cè)換熱通道9和外側(cè)換熱通道10的工藝氣體的流量，使整個換熱過程平穩(wěn)進行。調(diào)節(jié)閥23可使用現(xiàn)有的耐高溫的調(diào)節(jié)閥，例如耐高溫的塞閥。為防止調(diào)節(jié)閥23發(fā)生泄漏、泄漏出的高溫工藝氣體與殼程殼體1內(nèi)壁靠近殼程封頭的部分接觸形成局部高溫，可在殼程殼體1內(nèi)壁靠近殼程封頭的部分設置絕熱襯里。本實用新型所用的絕熱襯里可以是耐高溫高壓的剛玉等類型的絕熱襯里。

如圖1所示，殼程殼體1上設有殼程入口管150，工藝氣體進氣管15從殼程入口管150穿過，兩管之間設有絕熱襯里。殼程殼體1上設有工藝氣體出口管16，工藝氣體出口管16的內(nèi)壁設有絕熱襯里。

管程殼體2上設有蒸汽入口管17。管程殼體2的內(nèi)腔中，在管板5的中部設有集汽室12，U型管出口與集汽室12相通。集汽室12上設有過熱蒸汽出口管13，通往管程殼體2的外部。如圖1所示，管程殼體2上設有管程出口管130，過熱蒸汽出口管13從管程出口管130穿過，兩管之間設有絕熱材料(例如耐高溫高壓的陶瓷纖維繩)。

殼程殼體1上有殼程人孔21，管程殼體2上設有管程人孔20，以便于人員進入殼程殼體1和管程殼體2的內(nèi)腔進行檢查、維修。管板5與管程殼體2為整體部件，能夠承受蒸汽的作用，且便于U型管以及其它殼程內(nèi)構件的安裝。將管板5向外延伸出一個圓環(huán)形部分，可作為管程法蘭19。

殼程殼體1、管程殼體2、U型管、中心管6、內(nèi)套筒7、外套筒8、工藝氣體進氣管15、殼程入口管150、工藝氣體出口管16、蒸汽入口管17、過熱蒸汽出口管13、管程出口管130的橫截面形狀均為圓形，內(nèi)側(cè)換熱通道9、外側(cè)換熱通道10、流動通道11的橫截面形狀均為圓環(huán)形，管板5的形狀為圓形。內(nèi)封頭4的形狀可以是圓錐面形(如圖1所示)，也可以是半球面形(圖略)。圖1和圖2所示集汽室12的殼體由圓筒形筒體和圓錐面形筒體組成，它們通常與管程殼體2同軸設置。殼程殼體1與管程殼體2通常是同軸設置。

根據(jù)蒸汽與工藝氣體換熱量的大小，臥式蒸汽過熱器可以設置幾十根至幾百根的U型管。參見圖1、圖2和圖3，本實用新型的一種方案是，同一種規(guī)格的U型管繞殼程殼體1的軸心線均勻設置、組成一組U型管。一組U型管中，U型管入口位于管板的U型管入口部分(圓環(huán)形)、與殼程殼體1的軸心線同軸的一個布管圓上，U型管出口位于管板的U型管出口部分(圓形)、與殼程殼體1的軸心線同軸的另一個布管圓上。不同組U型管中的U型管入口和U型管出口，分別位于圓心相同但半徑不同的多個布管圓上。

中心管6、內(nèi)套筒7、外套筒8、內(nèi)封頭4、工藝氣體進氣管15、集汽室12的殼體和過熱蒸汽出口管13的表面上涂敷有隔熱涂料，可以單面涂敷或雙面涂敷。隔熱涂料應能耐換熱前后的蒸汽或工藝氣體的溫度，例如磷酸鹽鋁粉涂料。

為強化換熱效果，內(nèi)側(cè)換熱通道9和外側(cè)換熱通道10中最好均設有折流板22，折流板22可以使用各種常用的折流板。圖1和圖3所示的折流板22為帶有外圓環(huán)缺口的圓環(huán)形折流板和帶有內(nèi)圓環(huán)缺口的圓環(huán)形折流板，在內(nèi)側(cè)換熱通道9和外側(cè)換熱通道10中沿殼程殼體1的軸向交替設置。U型管入口管段31和U型管返回管段32從折流板22上的開孔穿過。

中心管6、內(nèi)套筒7、外套筒8、內(nèi)封頭4、工藝氣體進氣管15、集汽室12的殼體、過熱蒸汽出口管13、折流板22等部件，通常使用不銹鋼(例如奧氏體不銹鋼)板材或管材制造。這些部件的壁厚一般為6～20毫米。

殼程殼體1和管程殼體2通常使用普通的低合金鋼(例如Q345R)板材制造。殼程殼體1的壁厚一般不超過50毫米，管程殼體2的壁厚一般不超過200毫米。U型管和管板5的材料和壁厚與現(xiàn)有在高溫高壓條件下操作的臥式蒸汽過熱器中所用的U型管和管板的材料和壁厚基本相同。

本實用新型的臥式蒸汽過熱器可以采用支座支撐(圖略)。除說明的以外，各部件之間的連接一般均采用焊接連接。

下面結(jié)合附圖說明本實用新型臥式蒸汽過熱器的操作過程。蒸汽24從蒸汽入口管17進入管程殼體2的內(nèi)腔，再從U型管入口進入U型管，在U型管中流動。工藝氣體25從工藝氣體進氣管15、調(diào)節(jié)閥23進入中心管6，在中心管6中向管板5的方向流動，再從中心管6靠近管板5的一端流出，從內(nèi)側(cè)換熱通道9靠近管板5的一端進入內(nèi)側(cè)換熱通道9。進入內(nèi)側(cè)換熱通道9中的工藝氣體在內(nèi)側(cè)換熱通道9中向U型管尾端的方向流動，與在U型管返回管段32中向管板5的方向流動的蒸汽進行純逆流換熱(如圖1所示)。在內(nèi)側(cè)換熱通道9中換熱后的工藝氣體從內(nèi)側(cè)換熱通道9靠近U型管尾端的一端流出，從外側(cè)換熱通道10靠近U型管尾端的一端進入外側(cè)換熱通道10。進入外側(cè)換熱通道10中的工藝氣體在外側(cè)換熱通道10中向管板5的方向流動，與在U型管入口管段31中向U型管尾端的方向流動的蒸汽進行純逆流換熱(如圖1所示)。在外側(cè)換熱通道10中換熱后的工藝氣體從外側(cè)換熱通道10靠近管板5的一端流出，從流動通道11靠近管板5的一端進入流動通道11。進入流動通道11中的工藝氣體在流動通道11中向殼程封頭的方向流動，進入殼程殼體1的內(nèi)腔靠近殼程封頭的部分，最后從工藝氣體出口管16流出。在U型管中與工藝氣體換熱后的蒸汽成為過熱蒸汽，從U型管出口流出，進入集汽室12，最后從蒸汽出口管13流出。圖1中，附圖標記240表示換熱后得到的過熱蒸汽，附圖標記250表示換熱后的工藝氣體。

在上述的操作過程中，蒸汽入口管17中蒸汽24的溫度一般為300～350℃，壓力一般為10～15MPa；過熱蒸汽出口管13中過熱蒸汽240的溫度一般為500～600℃，壓力一般為10～15MPa；工藝氣體進氣管15中工藝氣體25的溫度一般為600～900℃，壓力一般為1～5MPa；工藝氣體出口管16中換熱后工藝氣體250的溫度一般為300～450℃，壓力一般為1～5MPa。本實用新型提到的壓力均為表壓。