大型熱網換熱器的選型

吳 斌，江 蛟

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

1 概述

目前國內已投運的熱網首站絕大多數采用管殼式換熱器。經過多年的運行檢驗，證明管殼式換熱器可靠性高，確實是熱網換熱器合適的選擇。近年來也有個別電廠開始選用焊接板式熱網換熱器，并已投入運行。板式換熱器具有體積小、散熱少、傳熱端差小等特點，在效率方面有優勢。

從基于熱力學第一定律的能效分析到基于熱力學第二定律的火用分析，對換熱器的性能評價方法已非常完善。但上述方法理論性強，給出的是一些判別指標，很難計算出板式換熱器的具體收益。本文以某工程為例，通過簡捷的計算方法，從工程實用的角度，計算出采用板式熱網換熱器給電廠帶來的實際收益，供業內參考。

2 熱網首站系統簡介

2.1 供熱簡介

某工程建設2×330MW抽汽供熱發電機組，選用哈爾濱汽輪機廠生產的亞臨界參數、一次中間再熱、單軸雙排汽、抽汽凝汽式汽機。兩臺機組通過熱水網向所在地區集中供應采暖熱負荷。

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，對應的最大熱負荷為747MW。抽汽壓力0.249～0.49MPa，溫度262～272℃。

2.2 熱網首站的配置

熱網循環水量約為10000t/h，供水溫度130℃，回水溫度70℃。

配3臺5000t/h的循環水泵，2臺運行1臺備用。

熱網換熱器凝結水經疏水泵打入除氧器回收。設三臺50%容量的變頻調速疏水泵，兩運一備。

熱網換熱器按選用傳統的管殼式換熱器和選用板式換熱器進行比較。

3 熱網換熱器型式及特點

3.1 管殼式換熱器

管殼式換熱器由管室、殼體、管束等主要元件構成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導熱元件，決定換熱器的熱力性能。換熱管內外表面均呈螺旋狀，管程流體在管內呈三維螺旋運動狀態向前流動，使換熱管層流層厚度減薄，流速很低時就可達到充分湍流，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較低的缺點，顯著提高換熱器的總傳熱系數，流體阻力損失較小。

總的來說，管殼式換熱器有以下特點：

⑴ 耐高溫高壓，堅固可靠耐用。

⑵ 設計、制造應用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術成熟。

⑶ 適用范圍大。特別是在高溫高壓和大型換熱器中的應用占據絕對優勢。

最大設計壓力：小于100MPa

最高設計溫度：650℃

最大殼體直徑：φ2600mm

單機最大換熱面積：4000m2

換熱管規格：φ10～φ70mm

換熱管長度：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K一般在1500～2800W/(m2.K)。

⑺ 管殼式換熱器的換熱管如發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行；可設置膨脹節解決熱脹冷縮的問題；在蒸汽側可安裝防沖裝置，保護換熱管。

3.2 板式換熱器

國內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℃。

熱網換熱器的汽、水側使用溫度均高于120℃，汽側溫度高達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備，焊接板式熱網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要高得多，且板式換熱器適應性強、拆裝方便。我國近幾年已有電廠在熱網首站應用。

全焊板式熱網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，經交錯焊接形成流道，板片兩側的流道在換熱器中的單個流程上是錯流流動，形成兩側高效率的錯－逆流動傳熱。

全焊板式熱網換熱器與管殼式換熱器對比，有如下優勢：

⑴ 波紋管板促進提高湍流度，從而使總體的傳熱系數達到管殼式換熱器的三到五倍。

⑵ 換熱器一、二側溫度接近到3℃時還能工作。

⑶ 交錯焊接的板片形成湍流，結垢比管殼式換熱器輕微得多，運行周期大為加長，基本可以免維護。

⑷ 全焊板式熱網加熱器的優越性還體現在節能上面。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 結構緊湊，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K一般在2000～5000W/(m2.K)，高的可達6000～8000W/(m2.K)，比管殼式換熱器高幾倍。

⑼ 受結構特點限制，難以實現大流量運行。除德國BAVEX公司開發的適用于高溫、高壓的產品換熱面積最高至1900m2外 ，單臺換熱面積一般在350m2以下。

⑽ 對水質要求較高，結垢與污物堵塞后換熱能力下降較快。

板式熱網換熱器應盡量選用精確激光焊接工藝。激光焊接的優點是焊層較薄，可顯著減少加熱量，這樣就使裝置中的內應力較小，從而對疲勞和交變循環不敏感。換言之，激光焊接提高了產品的可靠性，延長了使用壽命。

歐美國家自從1982年以來已經廣泛使用全焊板式加熱器在電廠做熱網加熱器，運行近30年基本是免維護，產品的可靠性得到了運行驗證。

因此若采用板式熱網換熱器，推薦采用進口全激光焊產品。

4 熱網換熱器選型方案

4.1 管殼式換熱器方案

該工程若選用管殼式熱網換熱器，需設置四臺面積約1200m2左右的換熱器，不考慮備用。當一臺換熱器停運時，仍能滿足75%熱負荷的需要。

單臺管殼式熱網換熱器的性能參數見表1。

表1 管殼式熱網換熱器性能參數

4.2 板式換熱器

若采用板式換熱器，受單臺最大容量的限制，需設置八臺板式熱網換熱器，不考慮備用。每臺加熱面積約320m 。

單臺板式熱網換熱器的性能參數見表2。

表2 板式熱網換熱器性能參數

(續)

5 經濟性分析

5.1 方案投資

通過向設備廠商詢價，該工程管殼式熱網加熱器方案的設備價為620萬元。進口板式熱網加熱器方案的設備價為1250萬元。

可見板式換熱器方案比管殼式方案設備費高630萬元。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=93.9萬元的收益。

5.2 方案經濟性評價

根據上面的計算， 該工程若選用四臺管殼式熱網加熱器，全廠需要的加熱抽汽量為1064.1t/h。選用八臺板式熱網換熱器，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，全廠可節約加熱蒸汽ΔQ=17.5t/h，經濟性比選用管殼式換熱器好。

對經濟收益有兩種分析計算方法：一是在電力緊缺時期，節省的抽汽繼續在汽機低壓缸中做功。也就是維持鍋爐出力不變，增加發電出力，產生額外的電費收益；另一種是保持發電出力不變，減少鍋爐的蒸發量，節約燃料費用。

5.2.1 第一種方法

⑴ 節約加熱蒸汽ΔQ產生的發電功率增加

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%，機械效率ηt=98.5%，發電機效率ηe=99%。

計得1 7.5 t/h蒸汽引起發電出力增加ΔPp=2736.3kW。

⑵ 凝結水回收引起的發電功率變化

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

①多回收的凝結水對發電功率的影響

按照能級就近利用的原則，將該部分凝水回收至#5號低加。采用等效焓降法計算，機組發電功率將增加293.47kW。

②凈熱量回收對發電功率的影響

按照能級就近利用的原則，凈熱量回收至#5號低加。采用等效焓降法計算，機組發電功率將增加1485.02kW。

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

需要說明的是該工程凝結水實際回收至除氧器，回收效果要比就近回收至#5號低加差一些。本文不考慮此負面影響，是偏保守的。

⑶ 板式加熱器方案的電費收益

根據上面的計算，選用板式熱網換熱器方案機組增加電功率ΔP=ΔPp-ΔPpt，計957.8 kW。

該工程采暖期共計4080小時，采暖期增加電量390.8萬kWh。該地區上網電價0.35元/kWh計，則板式熱網加熱器方案電廠每年增加收入136.78萬元，大于F1。

按第一種方法分析，選用板式熱網換熱器是合理的。

5.2.2 第二種方法

通過上節的分析，選用板式熱網換熱器方案機組增加電功率957.8 kW。當增加的電功率不能轉換成上網電量時，可以相應減少鍋爐的蒸發量，節約燃料。

根據額定純凝工況的熱平衡計算，957.8 kW的電功率對應2.87t/h的汽機進汽量。

鍋爐效率按92%，鍋爐減少2.87t/h蒸發量，可節約標煤279.3kg/h。采暖期共計4080小時，采暖期節約標煤1139.5t。該工程標煤價按550元/t計，則板式加熱器方案電廠每年節約燃料費62.7萬元,小于F1。

按第二種方法分析，選用管殼式熱網換熱器是合理的。

6 結論

熱網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，從提高運行可靠性的角度，建議采用進口全激光焊產品。

對于供熱規模為10000t/h熱水的電廠，選擇板片式熱網換熱器每年可增加電費收益136.78萬元或者節約燃料費62.7萬元。板式熱網換熱器節能效果明顯，應引起業內關注。

對具體項目，應通過技術經濟分析確定熱網換熱器的型式。一般來說，在熱負荷、電負荷充沛的地區，應優先選擇進口板片式熱網換熱器。在電力過剩地區，選用管殼式熱網換熱器是合理的。

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