鈦管換熱器的工藝計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性分析

劉玉華，劉濤，李鎮(zhèn)

（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266426）

LNG 被公認(rèn)是地球上最干凈的化石能源，但是基于我國富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)，最近我國大量進(jìn)口LNG。LNG 在氣化的同時(shí)，可以利用其冷源，通過卡諾循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。該工藝涉及到海水換熱器，為了保證發(fā)電平穩(wěn)，需要采用鈦換熱管。

鈦換熱器因金屬離子不易流失，所以可充分利用這種非磁性特點(diǎn)，用做制藥及食品等用途的換熱器。由于鈦的抗腐蝕能力強(qiáng)，所以換熱器的使用壽命長，并且在使用中維護(hù)費(fèi)用也低。此外，因其具有體積小、換熱能力大等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)設(shè)備（如泵）的投資及運(yùn)行費(fèi)用也能相應(yīng)減少[1]。

鈦管換熱管的價(jià)格為127 元/kg，S30408 換熱管的價(jià)格為17.2 元/kg ，價(jià)格昂貴，因此在進(jìn)行鈦管換熱器設(shè)計(jì)的過程中，在滿足工藝參數(shù)的前提下，盡量減少鈦管的重量，從而提高經(jīng)濟(jì)性[2]。

筆者在設(shè)計(jì)鈦管換熱器的過程中，需要考慮到，如何減少工程總造價(jià)，主要包括設(shè)備固定投資和運(yùn)行費(fèi)用。基于此，筆者在保證傳熱要求的前提下，系統(tǒng)分析了不同換熱管規(guī)格對總費(fèi)用的影響。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

LNG 發(fā)電項(xiàng)目由煙臺某電力公司總包，我公司負(fù)責(zé)熱工計(jì)算，要求換熱余量至少10%。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 工藝性能設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Process performance design parameters

2 換熱器工藝計(jì)算

2.1 換熱器管殼程流體分配

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，凡是接觸海水介質(zhì)的材料需要采用Ti 材，如果將海水安排在殼程，換熱管、殼程材料和管板均需要采用昂貴的鈦材，所以將海水安排在管程。

2.2 換熱器型式的確定

管殼式換熱器總的傳熱熱阻[3]是由熱流體與管壁的對流傳熱熱阻、管壁和污垢的導(dǎo)熱熱阻，以及管壁與冷流體的對流傳熱阻串聯(lián)構(gòu)成。 海水汽化器的總傳熱熱阻：

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)比較高，海水側(cè)污垢熱阻對總體熱阻的貢獻(xiàn)值很大，基于此，設(shè)計(jì)過程考慮減少污垢熱阻的措施。

目前管式換熱器（例如凝汽器、空氣冷卻器、冷油器等）內(nèi)部換熱管道內(nèi)壁結(jié)垢后一般采用化學(xué)清洗和物理清洗（高壓水射流清洗），這兩種清洗方法都是在管道內(nèi)壁結(jié)垢后才能進(jìn)行清洗，且沒有預(yù)防管道內(nèi)壁結(jié)垢的功能。

清洗時(shí)需設(shè)備停運(yùn)后才能進(jìn)行清洗除垢等操作，清洗除垢過程時(shí)間長且對設(shè)備損傷較大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、費(fèi)用較高、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)非常明顯。

選用膠球在線清洗裝置，可以在不停工的前提下，進(jìn)行在線清洗，可以保證換熱器在高傳熱系數(shù)下運(yùn)行。經(jīng)過與在線清洗廠家咨詢，一臺在線清洗裝置需要10 萬元，管內(nèi)污垢熱阻可以從原來的0.000 352 m2·k/W 降低至0.000 088 m2·k/W。 表2為采取這兩種不同污垢熱阻的設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2 固定投資對比Table 2 Fixed investment contrast

從表2 可以看出，采用膠球在線清洗裝置可以節(jié)省換熱器管束費(fèi)用308.8 - 242.1 = 66.7 萬。綜合考慮在線清洗裝置投資10 萬元，可以節(jié)省費(fèi)用56.7 萬元，所以采用在線清洗裝置。

這種在線清洗裝置，需要單管程的結(jié)構(gòu)。考慮到固定管板結(jié)構(gòu)，冷熱流體傳熱接近逆流，且管殼程壁溫不大，不需要設(shè)置膨脹節(jié)，所以確定換熱器型式為單管程BEM 結(jié)構(gòu)。

圖1 折流板布置圖Fig.1 Layout of baffle

2.3 換熱管規(guī)格的確定

基于2.1 和2.2 的分析，確定采用BEM 固定管板換熱器，將海水放在管程。采用φ25×1.5、φ19 mm×1.5 mm、φ14 mm×1.5 mm、φ12 mm×1.5 mm 四種不同換熱管規(guī)格，分別進(jìn)行工藝計(jì)算。

2.3.1 設(shè)備固定投資費(fèi)用

在保證換熱性能的前提下，分別應(yīng)用HTRI 8.1進(jìn)行傳熱計(jì)算，得到換熱器規(guī)格，由于鈦管價(jià)格昂貴，設(shè)備固定投資近似等于換熱管費(fèi)用，將結(jié)果列于表3。

表3 不同換熱管規(guī)格對固定投資的影響Table 3 Influence of different tube on fixed investment

圖3 沿著換熱器軸向管殼程流體溫度Fig.3 Fluid temperature of shell and tube along the axial direction of the heat exchanger

從上式可以看出，隨著管內(nèi)徑的減小，總傳熱系數(shù)不斷增大，將計(jì)算結(jié)果繪制于圖2 ～ 3。

圖2 不同換熱管規(guī)格對總傳熱系數(shù)的影響Fig.2 Influence of different tube on total heat transfer coefficient

根據(jù)Q=KAΔTm，式中Q[3]為換熱量，K為總傳熱系數(shù)，已經(jīng)獲得，關(guān)鍵是對ΔTm的獲得，由于殼程流體發(fā)生相變，不能采用對數(shù)傳熱溫差公式計(jì)算，只能采取分段計(jì)算方法，分別計(jì)算殼程氣化區(qū)和過熱區(qū)。在氣化區(qū)和過熱區(qū)可以分別采用對數(shù)傳熱溫差計(jì)算平均溫差。根據(jù)上述公式，得到換熱面積。

圖5 不同換熱管規(guī)格對管束固定投資的影響Fig.5 Influence of different tube on investment of tube bundle

從表3 和圖4 ～ 5 可以看出，隨著管外徑的減小，管束質(zhì)量逐漸降低，設(shè)備固定投資也逐漸降低，似乎應(yīng)該選擇φ10 mm×1.5 mm 的小規(guī)格管子。但設(shè)計(jì)換熱器不僅僅要考慮固定費(fèi)用，還需要考慮設(shè)備全周期的費(fèi)用，因此必須要考慮運(yùn)行費(fèi)用。

圖4 不同換熱管規(guī)格對管束質(zhì)量的影響Fig.4 Influence of different tube on tube bundle quality

2.3.2 設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

取設(shè)備壽命為20 年，查得當(dāng)?shù)毓I(yè)用電單價(jià)為0.85 元/ kw·h，海水的體積流量為0.3 m3/ s，管程壓降分別按照水力計(jì)算獲得，水泵軸功率W=ΔP×Q，式中W代表軸功率，ΔP代表壓降，Q代表體積流量，運(yùn)行費(fèi)用P=i×c，式中P代表運(yùn)行費(fèi)用，i代表耗電量，c代表用電單價(jià)，如表4 所示。

表4 不同換熱管規(guī)格總費(fèi)用計(jì)算表Table 4 Computation sheet of all-in cost

圖6 不同換熱管規(guī)格對管程壓降的影響Fig.6 Influence of different tube on tube side pressure drop

從表6 中可以看出，隨著管徑的減小，管內(nèi)徑的壓降逐漸增加。管內(nèi)壓降的影響因素包括流速、流體物性、換熱管長度[5-6]，具體公式為：

2.3.3 設(shè)備全生命周期費(fèi)用

從圖7 ～ 8 和表5 可以看出，隨著管外徑的增加，水泵運(yùn)行費(fèi)用不斷減少，設(shè)備固定投資不斷增加，無法判斷最優(yōu)管規(guī)格，基于此，以總投資費(fèi)用為縱坐標(biāo)，作圖如圖9 所示。

圖7 不同換熱管規(guī)格對運(yùn)行費(fèi)用的影響Fig.7 Influence of different tube on the operating cost

表5 不同換熱管規(guī)格對固定投資的影響Table 5 Influence of different tube on all-in cost

圖8 不同換熱管規(guī)格對固定投資費(fèi)用的影響Fig.8 Influence of different tube on fixed investment

圖9 不同換熱管規(guī)格對總投資費(fèi)用的影響Fig.9 Influence of different tube on all-in cost

從圖9 中可以看出，當(dāng)換熱管外徑為19 mm 時(shí)，總費(fèi)用最低，因此最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19 mm×1.5 mm

3 結(jié)論

綜上所述，接觸海水介質(zhì)的流體放在管程，可以避免殼程使用價(jià)格昂貴的鈦材，可以節(jié)省設(shè)備投資。

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)比較高，海水側(cè)污垢熱阻對總體熱阻的貢獻(xiàn)值很大，綜合考慮清洗裝置投資，使用在線清洗裝置。

隨著管內(nèi)徑的減少，總傳熱系數(shù)不斷增大，管束重量逐漸降低，因此，小換熱管需要較小的固定投資。

隨著管徑的減小，管內(nèi)徑的壓降逐漸增加，水泵的運(yùn)行費(fèi)用逐漸增加，因此，小換熱管需要較大的運(yùn)行費(fèi)用。

作為制造廠，在換熱器工藝計(jì)算的過程中，不能只考慮設(shè)備的制造成本，還需要考慮換熱器全生命周期的費(fèi)用，以總費(fèi)用為最優(yōu)目標(biāo)，得到最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19 mm×1.5 mm。