低溫多效海水淡化裝置換熱管選用分析

摘要：低溫多效蒸餾（LT-MED）海水淡化的換熱過程主要是蒸發(fā)和冷凝，通過數(shù)量眾多的換熱管完成熱量交換，管外側(cè)海水受熱蒸發(fā)濃縮，管內(nèi)側(cè)蒸汽冷卻形成凝結(jié)淡水。換熱管是低溫多效海水淡化的核心部件，其成本約占低溫多效海水淡化裝置的20%～40%，對換熱管的要求是高傳熱性、高阻垢性、高耐腐蝕性。截止到2015年，在國產(chǎn) LT-MED海水淡化裝置中，除換熱管束的上三層使用0.5mm 鈦管外，其余換熱管主要為0.7mm鋁黃銅管。然而，鋁黃銅管在海水中容易受到氯離子的侵蝕，造成很大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此，換熱管的選用分析非常必要。

關(guān)鍵詞：低溫多效蒸餾（LT-MED）;0.7mm鋁黃銅管;0.4mm薄壁鈦管;對比分析

引言：

目前，我國是聯(lián)合國公認(rèn)的世界13個最貧水國家之一。世界性的淡水危機，為海水淡化技術(shù)發(fā)展提供了廣闊的市場，海水淡化技術(shù)的應(yīng)用成為解決淡水資源危機的有效方法。低溫多效蒸餾（LT-MED）是20世紀(jì)70年代末由以色列IDE公司開發(fā)的[1]，是目前主流海水淡化技術(shù)之一。因其具有產(chǎn)品水水質(zhì)好、預(yù)處理簡單、腐蝕和結(jié)垢風(fēng)險小、單機制水能力大以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好等特點，得到了越來越多的應(yīng)用，市場占有率逐步提高。

2015年6月，國產(chǎn)1.2萬噸級低溫多效海水淡化裝置在舟山電廠投運。該套海水淡化裝置共6效蒸發(fā)器，各效蒸發(fā)器換熱管束上層3排選用0.5mm鈦管，其余均采用0.4mm鈦管，而非常規(guī)的0.7mm鋁黃銅換熱管。這是我國首臺換熱管為0.4mm薄壁鈦管的萬噸級低溫多效海水淡化裝置，其對0.4mm薄壁鈦管在國產(chǎn) LT-MED裝置的推廣具有重要意義。

本文引用舟山電廠低溫多效海水淡化裝置相關(guān)參數(shù)，從振動、強度、換熱系數(shù)、腐蝕、經(jīng)濟(jì)性對0.7mm鋁黃銅管和0.4mm薄壁鈦管進(jìn)行對比分析，以供相關(guān)人士參考。

一、振動對比分析

（1） 換熱管參數(shù)選取

蒸發(fā)器內(nèi)部換熱管的選取，不但要考慮到海水的腐蝕及沖刷，同時也要考慮因換熱管材質(zhì)或壁厚的不同，其本身的固有頻率也會不同。換熱管選取具有代表性的0.7mm鋁黃銅管和0.4mm薄壁鈦管進(jìn)行分析比較。

（2）蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)介紹

舟山電廠蒸發(fā)器1-4效布管方式相同，5-6效布管方式相同。由于1-4效蒸汽流量大換熱管支撐板間距比較大，所以針對1-4效結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。

1-4效蒸發(fā)器換熱管項目本身采用的是上三排為標(biāo)號2類型管子，其余為1號類型管子，管長均為9720mm，采用正三角形布管方式，管間距S=0.033m，支撐管板數(shù)量為5塊，跨距L為1.6m。

（3）換熱管固有頻率的計算

影響換熱固有頻率的因素非常多，包括生產(chǎn)和安裝工藝影響及在現(xiàn)場運行條件下溫度應(yīng)力的影響，在不考慮外界因素的影響條件下，根據(jù)換熱管本身的參數(shù)依據(jù)GB151計算方法計算固有頻率。

GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》附錄E“管束振動”一節(jié)給出了完整的管束固有頻率的計算方法。此方法的計算特點是：將換熱管視為兩端固定，中間簡支的多跨連續(xù)梁，可計算等跨直管、非等跨直管的一階、二階固有頻率，并可考慮軸向力對固有頻率的影響。根據(jù)蒸發(fā)器本體結(jié)構(gòu)，可以將換熱管視為兩端固定，中間簡支的六段等跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。同時由于換熱管外部海水為降膜蒸發(fā)，對換熱管擾動比較小，蒸汽流速比較大，故只考慮蒸汽流對換熱管的影響。以一效工況為計算模型來分析。

計算公式為：

根據(jù)一效工況進(jìn)汽溫度65℃，蒸發(fā)室溫度為61.9℃， 蒸汽飽和流速取30-40m/s來考慮得出以下數(shù)據(jù)表：

根據(jù)以上公式經(jīng)過計算得出以下結(jié)果：

根據(jù)以上計算管子的固有頻率可知，在不改動蒸發(fā)器外部結(jié)構(gòu)的情況下，0.7mm厚的鋁黃銅管和0.4mm厚的鈦管的固有頻率是在同一范圍內(nèi)。

（4）驗證換熱管振動

根據(jù)換熱管振動依據(jù)來判斷，換熱管的固有頻率只要滿足以下所有條件，就可以判定換熱管束不會發(fā)生振動。

固有頻率fn<0.8fv或>1.2fv;共振參數(shù)Gs在非共振區(qū)即可。

由卡門漩渦頻率fv=st×V/dO

對于正三角形排列的管束，根據(jù)節(jié)徑比可查出為0.19，由一效的蒸發(fā)溫度可得62℃的飽和蒸汽密度約為0.14kg/m3，同時根據(jù)蒸汽在管束區(qū)域內(nèi)的流向的不均勻性，蒸汽的流通速度在20-40m/s之間， 計算結(jié)果為149.6-299.2Hz，由此判斷1、2號管均滿足要求。

由共振參數(shù)，一效工況下蒸汽的聲速c=451m/s，而根據(jù)布管形式得出T=0.033m，L=0.05716，從而得出計算結(jié)果Gs=0.00051，同時有L/h=7.72查圖表可知落在非共振區(qū)域。由此判斷1、2號管均滿足要求。

（5）結(jié)論

根據(jù)以上計算方法，對蒸發(fā)器換熱管振動計算，從而做出如下結(jié)論：

在現(xiàn)有的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和布管方式條件下，無論是采用0.7mm的鋁黃銅管還是采用0.4mm厚度的鈦管在振動方面都滿足要求，即在設(shè)計工況下?lián)Q熱管不會發(fā)生共振。

二、 強度和剛度對比分析

根據(jù)《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》GB/T3625-2007：鈦的抗拉強度Rm≥400MPa，規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2在275～450MPa，鈦的物理性能彈性模量E在20～100℃范圍內(nèi)為108～102GPa。對于蒸發(fā)器負(fù)壓運行工況，對換熱管進(jìn)行液（氣）壓試驗沒有必要像壓力容器換熱管液（氣）壓試驗選取過高的壓力，對于MED液（氣）壓選擇1MPa的壓力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。

計算出的試驗壓力遠(yuǎn)大于選取的試驗壓力，說明選取0.4mm厚的鈦管材符合液壓要求。

根據(jù)《熱交換器用銅合金無縫管》GB/T8890-1998：鋁黃銅的抗拉強度Rm≥375MPa。 管材液壓試驗壓力≥6.86MPa，持續(xù)時間10s。HAl77-2物理性能的彈性模量E在20～100℃范圍內(nèi)為105GPa左右。

由上述對比可知，鈦的抗拉強度高于鋁黃銅的抗拉強度，并且0.4mm厚的鈦換熱管和0.7mm厚的鋁黃銅換熱管液壓試驗的壓力都滿足換熱管液壓試驗壓力的要求，兩者的彈性模量也基本相同。

三、換熱系數(shù)對比分析

對于同一換熱工況下，換熱量Q相同，換熱溫差相同，換熱系數(shù)和換熱面積成反比關(guān)系。 水平橫管降膜蒸發(fā)換熱換熱面積計算式以換熱管的外徑為準(zhǔn)計算，直徑同為25.4mm的鋁黃銅和鈦換熱管單根管的換熱面積相同。

換熱系數(shù)計算公式：

鋁黃銅和鈦的導(dǎo)熱系數(shù)分別為：。由于兩種換熱管的內(nèi)外工況相同，污垢熱阻也基本相同，為。厚度為0.7mm的鋁黃銅與0.4mm厚的鈦在相同工況下計算出的換熱系數(shù)分別為：2170，2098.5，換熱系數(shù)之比為1.03407：1，換熱面積之比為1：1.03407。

舟山電廠1-4效蒸發(fā)器原設(shè)計采用Φ25.4×0.7×9720mm的鋁黃銅換熱管51756根，5-6效蒸發(fā)器采用Φ25.4×0.7×6070mm的鋁黃銅換熱管15002根。若將上述所有0.7mm厚的鋁黃銅換熱管更換為0.4mm厚的鈦換熱管，則需要Φ25.4×0.4×9720mm的鈦換熱管53520根，Φ25.4×0.4×6070mm的鈦換熱管15514根。相比1-4效蒸發(fā)器換熱管增加了1764根，5-6效蒸發(fā)器換熱管增加了512根。

由上述計算可知，將0.7mm厚的鋁黃銅換熱管更換為0.4mm厚的鈦換熱管，從換熱角度換熱面積只增加了3.407%，面積變化很小。

四、 腐蝕情況對比分析

鈦的表面暴露在大氣或者水溶液中，立即會形成氧化膜，例如在室溫大氣中氧化膜厚度約為1.2～1.6m，并隨時間的延長而增厚，70天增厚到5nm，545天以后氧化膜厚度逐漸增加到8～9nm。[2]所以在制造裝配過程中對鈦材表面氧化膜損傷，鈦材表面會很快與氧氣化合形成新的氧化膜。鈦對氯離子也具有很強的抗腐蝕性，在海水中，銅的腐蝕率為0.05mm/年，而鈦的腐蝕率僅為0.003mm/年，因此鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時可減少腐蝕裕量;同時由于不需要防腐涂料，可簡化工藝及降低成本。

五、 經(jīng)濟(jì)性對比分析

目前我國已經(jīng)形成了成熟的鈦材制造、加工技術(shù)，大部分鈦材無需依賴進(jìn)口。單從質(zhì)量上進(jìn)行核算，鈦管價格是銅管的數(shù)倍。若考慮實際應(yīng)用，鈦管的厚度比銅管要薄，并且鈦管的密度僅為銅管的1/2。[3]舟山電廠經(jīng)過計算，0.4mm薄壁鈦管和0.7mm鋁黃銅換熱管價格在低溫多效海水淡化裝置應(yīng)用上價格基本相當(dāng)。但是，鈦管在綜合性能方面具有較強的競爭力，換熱管作為設(shè)備的核心部件，換熱管的使用壽命直接決定了蒸發(fā)器的維修頻率和維修及維護(hù)成本，對于鋁黃銅換熱管來說，鈦換熱管的使用年限明顯更長，經(jīng)過對使用周期內(nèi)的運行成本核算實際上是降低了成本。

六、結(jié)論

通過以上對比分析，0.4mm薄壁鈦管作為換熱管應(yīng)用在低溫多效海水淡化裝置中，從振動、強度、換熱系數(shù)、腐蝕、經(jīng)濟(jì)性都比0.7mm鋁黃銅管更具有優(yōu)勢。隨著中國沿海地區(qū)淡水需求的日益增加，低溫多效海水淡化工業(yè)作為海水淡化工業(yè)的龍頭必將成為我國的一項新興產(chǎn)業(yè)。由于近年來鈦材價格大幅下滑，使得鈦材料費在整個低溫多效海水淡化裝置所占比重也大幅下滑，因此0.4mm薄壁鈦管作為換熱管在低溫多效海水淡化工業(yè)中應(yīng)用將有很廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]AL-SHAMMIRI M.Multi-effect Distillation Plants：State of the Art[J].Desalination，1999，126：45-59.

[2] 趙斌.鈦材在低溫多效海水淡化工業(yè)中的應(yīng)用[J].企業(yè)實踐，1673-1069（2016）25-237-2.

[3]紀(jì)騰飛.鈦在海水淡化領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.003.

作者簡介：程愛勇（1986.01-），男，漢族，浙江省舟山市，大學(xué)本科學(xué)歷，職稱：工程師，國能浙江舟山發(fā)電有限責(zé)任公司，研究方向：環(huán)保化學(xué)