接受背壓機組排汽的矩形熱網加熱器研制

向娟 馬廿

摘 要：文章介紹了接受背壓機組排汽的大型矩形熱網加熱器的計算方法和結構特點，分析了熱網加熱器進汽接管的受力，提出了解決熱膨脹等問題的方法和途徑，為同類實際工程運用設計提供寶貴經驗。

關鍵詞：背壓機組；熱網加熱器；傳熱；結構

中圖分類號：TM621 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0123-03

Abstract： This paper introduces the calculation method and structural characteristics of large rectangular heating network heaters accepting exhaust steam of back pressure units， analyzes the force exerted on the inlet steam nozzles of heating network heaters， and puts forward the methods and ways to solve the problems such as thermal expansion. It provides valuable experience for the same kind of practical engineering design.

Keywords： back pressure unit； heating network heater； heat transfer； structure

前言

近年來，隨著熱電廠大規模的建設，背壓式汽輪機組市場需求增多，熱電聯產事業明確地把節能放在首位。其中熱網加熱器，是整個熱電廠供熱系統中的重要組成部分。常規熱電廠采用背壓機組排汽至熱網加熱器，排汽管道上加裝安全閥、止逆閥、快關閥、電動閘閥等，管道長，熱源損失大，經濟性差。為提高熱電廠效率，將熱網加熱器直接與背壓機排汽口相對接，但此結構方式需考慮內壓力、熱膨脹以及機組負荷變化波動等問題，本文詳述了直接接受背壓機組排汽的矩形熱網加熱器的技術難點及解決方案。

1 矩形熱網加熱器熱力計算

1.1 由傳熱學，按以管子外徑為基準，考慮污垢熱阻，按圓壁公式計算其傳熱系數K為：

公式（1）中：α1-管外蒸汽凝結傳熱分系數，W/（m2.℃）；α2-管內給水對流傳熱分系數，W/（m2.℃）；d0-管外徑，m；di-管內徑，m；λ-管壁導熱系數，W/（m2.℃）；R1-殼側污垢熱阻，（m2.℃）/W；R2-管內污垢熱阻，（m2.℃）/W。

加熱器運行一段時間后，管壁積附污垢，在傳熱計算時必須考慮污垢熱阻。按美國熱交換器協會（HEI）《表面式給水加熱器標準》，對于加熱器的凝結段，其管內給水側的最小污垢熱阻R2為3.5222×10-5m2.℃/W，式（1）中將其修正到管子有效外表面即R2，此推薦的最小值適用于各種管子材料，壁外表汽側蒸汽凝結成水按HEI標準，其污垢熱阻不予考慮，即R1=0m2.℃/W。在我國較多采用《機械工程手冊》推薦的熱阻考慮方法，將殼側污垢熱阻與管內污垢熱阻之和統稱為流體污垢熱阻Rd，并規定其取值范圍為4.3～8.6×10-5m2.℃/W，另外，對于碳鋼管還要考慮氧化層熱阻；同時在GB/T151-2014《熱交換器》附錄中提供了流體熱阻數據，其流體品種繁多。

上述計算熱阻的推薦數據標準中，美國HEI標準針對加熱器專業性更強，故在本文中計算其傳熱系數時，采用美國HEI標準中推薦的污垢熱阻數據。其中，對于純凝結放熱的水平管束汽至壁傳熱分系數α1為：

對于傳熱面積較大的加熱器，管排數越多，即公式（2）中n越大，下部管排放熱效果越差，造成管子表面的液膜易于下滴，液膜增厚放緩，且撞擊和飛濺使下排液膜擾動增強。上述公式一般較適用于管排數量小于20的換熱器。

針對大型換熱器，應用目前國際流行的Karn公式進行修正計算：

公式（2）、公式（3）中：B-系數；Ts-蒸汽飽和溫度，℃；tw-汽測管壁溫度，℃；r-汽化潛熱，kal/kg；n-水平管束沿垂直方向的管子平均排數，指管子外表面的凝結液膜垂直向下流動經過的管排數。

1.2 采用HEI曲線法進行核算，總體傳熱系數K：

公式（4）中：βt-冷卻水溫度修正系數；βm-冷卻管材料、壁厚修正系數；βc-冷卻管內壁表面的污垢系數；K0-基本傳熱系數。

因熱網加熱器循環水進口水溫較高，多數情況下已超出HEI中冷卻水溫度修正系數曲線取值。由于管內水越溫高，其粘度越低，導致管內雷諾數越大，運行時管內水阻較計算值小，實際傳熱系數比修正值高，其最終計算結果稍偏保守。

針對大型熱網加熱器，應用Karn公式進行其傳熱分系數的修正計算，再采取曲線法進行傳熱系數的校核，最終取定合適的傳熱面積。

2 矩形熱網加熱器結構設計

2.1 矩形熱網加熱器結構簡介

采用固定管板式熱網加熱器，換熱管為直管，其兩端分別與兩端管板進行強度脹接后施加密封焊，汽側殼體設置U形膨脹節，有效緩解殼體與管束的溫差應力。加熱器采用單殼體四流程，熱網循環水接管采用雙進雙出，左右對稱布置，滿足單側運行需求。換熱器管束分成兩組，四個獨立區域，每個小管束左右冷卻管數量相同，對稱布置，在最底部設置單獨的空冷區，排管為我公司自主研發設計，加熱器管束布置及結構示意圖詳見圖1。

在管束最底部設置較大的疏水腔室，有利于疏水調節和保持水溫的恒定，在每個進汽口處的管束頂部設置弧形的防沖擋板，以增大該處的通汽截面積，防止汽流速度過高，避免或減緩管子的振動。

在熱網加熱器兩根進汽管道上分別加裝彈簧全啟式安全閥，如果換熱管破裂，給水通過斷口流入殼體內，使水位升高迫使蒸汽壓力升高，此時安全閥開啟，能保護殼體防止超壓爆破；在給水進、出口閥門之間的給水管路上設置管側微啟式安全閥，若給水進、出口的閥門被關閉，但加熱蒸汽可能繼續進入殼體，加熱換熱管內的給水，給水溫度升高，體積增大，引起水室等整個管側系統超壓，為了防止上述水的膨脹引起的超壓，甚至水室破壞，故加裝管側安全閥。

2.2 汽側殼體與管束的溫差應力

換熱器的汽側殼體與管束若是剛性連接，由于殼體的溫度、材質與管子的溫度、材質不同，其熱膨脹量不同，形成了溫度應力，在安裝溫度t0下，其長度均為L，作用在管子（殼體）上的拉伸力或壓縮力F：

由公式（5）可見，作用在管子（殼體）上的拉伸力或壓縮力F與兩壁溫差、兩種材料的線膨脹系數及管殼的抗拉（壓）剛度成正比。對于受內壓的固定管板式換熱器，處于工作狀態下承受著流體壓力和溫差應力的共同作用，在這兩個力的聯合影響下，管子與管板會出現相互脫離的趨勢，即拉脫力。

常見的溫差補償裝置一般采用膨脹節。如果不能同時滿足下列三個條件，則需設置膨脹節：（1）內壓引起的殼壁軸向應力與殼壁溫差應力之和小于殼體材料許用強度極限；（2）內壓引起的管壁軸向應力與管壁溫差應力之和小于管子材料的許用