大型熱網(wǎng)換熱器的選型

吳 斌，江 蛟

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

1 概述

目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的熱網(wǎng)首站絕大多數(shù)采用管殼式換熱器。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行檢驗(yàn)，證明管殼式換熱器可靠性高，確實(shí)是熱網(wǎng)換熱器合適的選擇。近年來(lái)也有個(gè)別電廠開始選用焊接板式熱網(wǎng)換熱器，并已投入運(yùn)行。板式換熱器具有體積小、散熱少、傳熱端差小等特點(diǎn)，在效率方面有優(yōu)勢(shì)。

從基于熱力學(xué)第一定律的能效分析到基于熱力學(xué)第二定律的火用分析，對(duì)換熱器的性能評(píng)價(jià)方法已非常完善。但上述方法理論性強(qiáng)，給出的是一些判別指標(biāo)，很難計(jì)算出板式換熱器的具體收益。本文以某工程為例，通過(guò)簡(jiǎn)捷的計(jì)算方法，從工程實(shí)用的角度，計(jì)算出采用板式熱網(wǎng)換熱器給電廠帶來(lái)的實(shí)際收益，供業(yè)內(nèi)參考。

2 熱網(wǎng)首站系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 供熱簡(jiǎn)介

某工程建設(shè)2×330MW抽汽供熱發(fā)電機(jī)組，選用哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸雙排汽、抽汽凝汽式汽機(jī)。兩臺(tái)機(jī)組通過(guò)熱水網(wǎng)向所在地區(qū)集中供應(yīng)采暖熱負(fù)荷。

采暖用汽從中壓缸排汽口抽出，額定抽汽量1000t/h，最大抽汽量1200t/h，對(duì)應(yīng)的最大熱負(fù)荷為747MW。抽汽壓力0.249～0.49MPa，溫度262～272℃。

2.2 熱網(wǎng)首站的配置

熱網(wǎng)循環(huán)水量約為10000t/h，供水溫度130℃，回水溫度70℃。

配3臺(tái)5000t/h的循環(huán)水泵，2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。

熱網(wǎng)換熱器凝結(jié)水經(jīng)疏水泵打入除氧器回收。設(shè)三臺(tái)50%容量的變頻調(diào)速疏水泵，兩運(yùn)一備。

熱網(wǎng)換熱器按選用傳統(tǒng)的管殼式換熱器和選用板式換熱器進(jìn)行比較。

3 熱網(wǎng)換熱器型式及特點(diǎn)

3.1 管殼式換熱器

管殼式換熱器由管室、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。換熱管內(nèi)外表面均呈螺旋狀，管程流體在管內(nèi)呈三維螺旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向前流動(dòng)，使換熱管層流層厚度減薄，流速很低時(shí)就可達(dá)到充分湍流，有利于熱交換，提高傳熱效率從而克服了管殼式換熱器管程流體界膜傳熱系數(shù)較低的缺點(diǎn)，顯著提高換熱器的總傳熱系數(shù)，流體阻力損失較小。

總的來(lái)說(shuō)，管殼式換熱器有以下特點(diǎn)：

⑴ 耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用。

⑵ 設(shè)計(jì)、制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟。

⑶ 適用范圍大。特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應(yīng)用占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

最大設(shè)計(jì)壓力：小于100MPa

最高設(shè)計(jì)溫度：650℃

最大殼體直徑：φ2600mm

單機(jī)最大換熱面積：4000m2

換熱管規(guī)格：φ10～φ70mm

換熱管長(zhǎng)度：100～12000mm

⑷ 換熱管選材廣泛：低碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、不銹鋼、高級(jí)不銹鋼、銅、滲鋁管、滲鎳管、鈦管等。

⑸ 占地面積較大，檢修空間較大。

⑹ 總傳熱系數(shù)K一般在1500～2800W/(m2.K)。

⑺ 管殼式換熱器的換熱管如發(fā)生斷裂或泄漏可以將該故障管在管板處堵死，而不影響其它通道的運(yùn)行；可設(shè)置膨脹節(jié)解決熱脹冷縮的問(wèn)題；在蒸汽側(cè)可安裝防沖裝置，保護(hù)換熱管。

3.2 板式換熱器

國(guó)內(nèi)目前常見的板式換熱器多為水－水換熱器，其密封方式為：板片與板片之間的密封采用橡膠類密封條進(jìn)行密封，這種型式的板式換熱器的使用范圍為：壓力不大于1.6MPa，溫度不高于120℃。

熱網(wǎng)換熱器的汽、水側(cè)使用溫度均高于120℃，汽側(cè)溫度高達(dá)270℃左右，如果要使用板式換熱器，則需選用全焊接板式換熱器。

相比于普通管殼式的設(shè)備，焊接板式熱網(wǎng)換熱器的體積只有管式的1/3，但是板式汽水換熱器傳熱系數(shù)要高得多，且板式換熱器適應(yīng)性強(qiáng)、拆裝方便。我國(guó)近幾年已有電廠在熱網(wǎng)首站應(yīng)用。

全焊板式熱網(wǎng)加熱器由一疊不銹綱或其它稀有防腐材料制成的傳熱波紋板片，經(jīng)交錯(cuò)焊接形成流道，板片兩側(cè)的流道在換熱器中的單個(gè)流程上是錯(cuò)流流動(dòng)，形成兩側(cè)高效率的錯(cuò)－逆流動(dòng)傳熱。

全焊板式熱網(wǎng)換熱器與管殼式換熱器對(duì)比，有如下優(yōu)勢(shì)：

⑴ 波紋管板促進(jìn)提高湍流度，從而使總體的傳熱系數(shù)達(dá)到管殼式換熱器的三到五倍。

⑵ 換熱器一、二側(cè)溫度接近到3℃時(shí)還能工作。

⑶ 交錯(cuò)焊接的板片形成湍流，結(jié)垢比管殼式換熱器輕微得多，運(yùn)行周期大為加長(zhǎng)，基本可以免維護(hù)。

⑷ 全焊板式熱網(wǎng)加熱器的優(yōu)越性還體現(xiàn)在節(jié)能上面。換熱器除了滿足蒸汽冷凝需求外，還以較高的熱效率回收凝結(jié)水的熱量。

⑸ 板片材料可使用任何可以壓制和焊接的材料，包括：AISI 304L 不銹鋼、AISI 316L 不銹鋼、蒙乃爾鎳銅合金、鈦、鈦—鈀、incoloyTM825 耐熱鎳鉻鐵合金、hastelloyTMC2000 耐蝕耐熱鎳合金、合金C22、合金 C276、合金 B2、鉭、DIN 1.4335、254 SMO、904L (UB6)。

⑹ 結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間僅為管殼式的1/3～1/4。

⑺ 散熱損失小，一般為0.3%左右，僅為管殼式換熱器的1/3左右。

⑻ 總傳熱系數(shù)K一般在2000～5000W/(m2.K)，高的可達(dá)6000～8000W/(m2.K)，比管殼式換熱器高幾倍。

⑼ 受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，難以實(shí)現(xiàn)大流量運(yùn)行。除德國(guó)BAVEX公司開發(fā)的適用于高溫、高壓的產(chǎn)品換熱面積最高至1900m2外 ，單臺(tái)換熱面積一般在350m2以下。

⑽ 對(duì)水質(zhì)要求較高，結(jié)垢與污物堵塞后換熱能力下降較快。

板式熱網(wǎng)換熱器應(yīng)盡量選用精確激光焊接工藝。激光焊接的優(yōu)點(diǎn)是焊層較薄，可顯著減少加熱量，這樣就使裝置中的內(nèi)應(yīng)力較小，從而對(duì)疲勞和交變循環(huán)不敏感。換言之，激光焊接提高了產(chǎn)品的可靠性，延長(zhǎng)了使用壽命。

歐美國(guó)家自從1982年以來(lái)已經(jīng)廣泛使用全焊板式加熱器在電廠做熱網(wǎng)加熱器，運(yùn)行近30年基本是免維護(hù)，產(chǎn)品的可靠性得到了運(yùn)行驗(yàn)證。

因此若采用板式熱網(wǎng)換熱器，推薦采用進(jìn)口全激光焊產(chǎn)品。

4 熱網(wǎng)換熱器選型方案

4.1 管殼式換熱器方案

該工程若選用管殼式熱網(wǎng)換熱器，需設(shè)置四臺(tái)面積約1200m2左右的換熱器，不考慮備用。當(dāng)一臺(tái)換熱器停運(yùn)時(shí)，仍能滿足75%熱負(fù)荷的需要。

單臺(tái)管殼式熱網(wǎng)換熱器的性能參數(shù)見表1。

表1 管殼式熱網(wǎng)換熱器性能參數(shù)

4.2 板式換熱器

若采用板式換熱器，受單臺(tái)最大容量的限制，需設(shè)置八臺(tái)板式熱網(wǎng)換熱器，不考慮備用。每臺(tái)加熱面積約320m 。

單臺(tái)板式熱網(wǎng)換熱器的性能參數(shù)見表2。

表2 板式熱網(wǎng)換熱器性能參數(shù)

(續(xù))

5 經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 方案投資

通過(guò)向設(shè)備廠商詢價(jià)，該工程管殼式熱網(wǎng)加熱器方案的設(shè)備價(jià)為620萬(wàn)元。進(jìn)口板式熱網(wǎng)加熱器方案的設(shè)備價(jià)為1250萬(wàn)元。

可見板式換熱器方案比管殼式方案設(shè)備費(fèi)高630萬(wàn)元。若投資收益率按8%，增加的投資考慮10年的合理回收期，則要求板式換熱器方案比管殼式方案每年多F1=93.9萬(wàn)元的收益。

5.2 方案經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

根據(jù)上面的計(jì)算， 該工程若選用四臺(tái)管殼式熱網(wǎng)加熱器，全廠需要的加熱抽汽量為1064.1t/h。選用八臺(tái)板式熱網(wǎng)換熱器，全廠需要的加熱抽汽量為1046.6t/h。選用板式換熱器傳熱端差小，散熱損失小，全廠可節(jié)約加熱蒸汽ΔQ=17.5t/h，經(jīng)濟(jì)性比選用管殼式換熱器好。

對(duì)經(jīng)濟(jì)收益有兩種分析計(jì)算方法：一是在電力緊缺時(shí)期，節(jié)省的抽汽繼續(xù)在汽機(jī)低壓缸中做功。也就是維持鍋爐出力不變，增加發(fā)電出力，產(chǎn)生額外的電費(fèi)收益；另一種是保持發(fā)電出力不變，減少鍋爐的蒸發(fā)量，節(jié)約燃料費(fèi)用。

5.2.1 第一種方法

⑴ 節(jié)約加熱蒸汽ΔQ產(chǎn)生的發(fā)電功率增加

供熱抽汽焓h1=2994.14kJ/kg，低壓缸排汽焓hc=2347.0 kJ/kg,低壓缸效率ηt=89.2%，機(jī)械效率ηt=98.5%，發(fā)電機(jī)效率ηe=99%。

計(jì)得1 7.5 t/h蒸汽引起發(fā)電出力增加ΔPp=2736.3kW。

⑵ 凝結(jié)水回收引起的發(fā)電功率變化

選用板式換熱器系統(tǒng)回收134.2℃凝結(jié)水1046.6t/h，凝結(jié)水焓hs1=564.01 kJ/kg；選用管殼式換熱器系統(tǒng)回收139.6℃凝結(jié)水1064.1 t/h, 凝結(jié)水焓hs2=587.13 kJ/kg。后者可拆分為1064.1t/h、134.2℃凝結(jié)水+凈熱量Qs。因此采用管殼式換熱器比采用板式換熱器的回?zé)嵯到y(tǒng)多回收： ①17.5t/h、134.2℃凝結(jié)水；② 凈熱量Qs=1064.1×(hs2- hs1)=6834kW。

①多回收的凝結(jié)水對(duì)發(fā)電功率的影響

按照能級(jí)就近利用的原則，將該部分凝水回收至#5號(hào)低加。采用等效焓降法計(jì)算，機(jī)組發(fā)電功率將增加293.47kW。

②凈熱量回收對(duì)發(fā)電功率的影響

按照能級(jí)就近利用的原則，凈熱量回收至#5號(hào)低加。采用等效焓降法計(jì)算，機(jī)組發(fā)電功率將增加1485.02kW。

綜合①、②兩項(xiàng)，在凝結(jié)水回收方面，采用管殼式換熱器比采用板式換熱器方案機(jī)組出力多ΔPt=1778.5 kW。

需要說(shuō)明的是該工程凝結(jié)水實(shí)際回收至除氧器，回收效果要比就近回收至#5號(hào)低加差一些。本文不考慮此負(fù)面影響，是偏保守的。

⑶ 板式加熱器方案的電費(fèi)收益

根據(jù)上面的計(jì)算，選用板式熱網(wǎng)換熱器方案機(jī)組增加電功率ΔP=ΔPp-ΔPpt，計(jì)957.8 kW。

該工程采暖期共計(jì)4080小時(shí)，采暖期增加電量390.8萬(wàn)kWh。該地區(qū)上網(wǎng)電價(jià)0.35元/kWh計(jì)，則板式熱網(wǎng)加熱器方案電廠每年增加收入136.78萬(wàn)元，大于F1。

按第一種方法分析，選用板式熱網(wǎng)換熱器是合理的。

5.2.2 第二種方法

通過(guò)上節(jié)的分析，選用板式熱網(wǎng)換熱器方案機(jī)組增加電功率957.8 kW。當(dāng)增加的電功率不能轉(zhuǎn)換成上網(wǎng)電量時(shí)，可以相應(yīng)減少鍋爐的蒸發(fā)量，節(jié)約燃料。

根據(jù)額定純凝工況的熱平衡計(jì)算，957.8 kW的電功率對(duì)應(yīng)2.87t/h的汽機(jī)進(jìn)汽量。

鍋爐效率按92%，鍋爐減少2.87t/h蒸發(fā)量，可節(jié)約標(biāo)煤279.3kg/h。采暖期共計(jì)4080小時(shí)，采暖期節(jié)約標(biāo)煤1139.5t。該工程標(biāo)煤價(jià)按550元/t計(jì)，則板式加熱器方案電廠每年節(jié)約燃料費(fèi)62.7萬(wàn)元,小于F1。

按第二種方法分析，選用管殼式熱網(wǎng)換熱器是合理的。

6 結(jié)論

熱網(wǎng)換熱器可以選擇管殼式換熱器，也可以選擇板片式換熱器。若選用板片式換熱器，從提高運(yùn)行可靠性的角度，建議采用進(jìn)口全激光焊產(chǎn)品。

對(duì)于供熱規(guī)模為10000t/h熱水的電廠，選擇板片式熱網(wǎng)換熱器每年可增加電費(fèi)收益136.78萬(wàn)元或者節(jié)約燃料費(fèi)62.7萬(wàn)元。板式熱網(wǎng)換熱器節(jié)能效果明顯，應(yīng)引起業(yè)內(nèi)關(guān)注。

對(duì)具體項(xiàng)目，應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定熱網(wǎng)換熱器的型式。一般來(lái)說(shuō)，在熱負(fù)荷、電負(fù)荷充沛的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇進(jìn)口板片式熱網(wǎng)換熱器。在電力過(guò)剩地區(qū)，選用管殼式熱網(wǎng)換熱器是合理的。

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