汽水換熱器的設(shè)計(jì)及振動(dòng)的消除措施

宋菊花

（大慶石化公司機(jī)械廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

某石化公司熱電廠換熱站還建項(xiàng)目中6臺(tái)汽水換熱器和3臺(tái)水水換熱器串聯(lián)安裝，其主要功能是用0.85～1.2 MPa水蒸汽加熱“采暖水”從90 ℃達(dá)到127 ℃或150 ℃（對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)和校核兩種工況）。蒸汽在汽水換熱器中要全部冷凝之后進(jìn)入水水換熱器，凝結(jié)水出口的最終溫度不超過(guò)95 ℃。將加熱后的采暖水作為熱源，使其對(duì)廠區(qū)高溫水站進(jìn)行換熱。該流程通過(guò)控制殼程冷凝水的流出量來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽的進(jìn)入量，從而調(diào)整整個(gè)流程的換熱負(fù)荷。

1 設(shè)計(jì)情況

按照工程總承包單位和用戶的要求，確定兩組換熱器均采用固定管板結(jié)構(gòu)。在汽水換熱器設(shè)計(jì)上使蒸汽流經(jīng)殼程并達(dá)到全部冷凝，“采暖水”流經(jīng)管程。水水換熱器與汽水換熱器為串聯(lián)流程，水水換熱器中采暖水流經(jīng)管程，凝結(jié)蒸汽水流經(jīng)殼程[1]。按照設(shè)計(jì)慣例，管程“采暖水”的接管下進(jìn)上出，殼程蒸汽和蒸汽凝結(jié)水的進(jìn)出口接管上進(jìn)下出。而由于出現(xiàn)振動(dòng)報(bào)警，汽水換熱器的殼程接管調(diào)整為側(cè)面進(jìn)、下面出。通過(guò)使用HTRI換熱器設(shè)計(jì)軟件計(jì)算[2]，最終確定兩組換熱器的換熱管長(zhǎng)度為6 m，殼徑為1000 mm。

1.1 振動(dòng)的分析和消除

汽水換熱器由于殼程為汽液兩相流動(dòng)，故折流板按垂直方向切口，流體為左右方向折流。當(dāng)蒸汽進(jìn)口設(shè)在頂部時(shí)，用HTRI進(jìn)行振動(dòng)校核，汽水換熱器在入口區(qū)域出現(xiàn)振動(dòng)報(bào)警提示。這個(gè)原因可能是蒸汽從頂部進(jìn)入之后又轉(zhuǎn)向左右方向流動(dòng)，高流速的蒸汽形成的太復(fù)雜的三維流場(chǎng)使得進(jìn)口區(qū)域產(chǎn)生振動(dòng)。通過(guò)小的調(diào)整都不能消除換熱器的這種振動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)把入口接管從頂部改到側(cè)面時(shí)，該振動(dòng)被消除了。因此，確定了汽水換熱器采用了一種非常規(guī)的接管方式的設(shè)計(jì)方案。汽水換熱器整體結(jié)構(gòu)布局圖如圖1所示。

圖1 汽水換熱器整體結(jié)構(gòu)布局圖

1.2 水擊振動(dòng)的可能性和預(yù)防

對(duì)于換熱器的蒸汽入口設(shè)在側(cè)面的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)審查時(shí)，擔(dān)心在某些（如換熱負(fù)荷較小，并且凝結(jié)水出現(xiàn)滯留）情況下，殼體內(nèi)液位可能會(huì)升得很高，側(cè)面進(jìn)入的蒸汽可能會(huì)形成沖擊從而產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲或者是水擊等后果。

應(yīng)用HTRI對(duì)設(shè)置側(cè)面蒸汽入口的情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備內(nèi)凝結(jié)水液面在換熱管間并不是水平的，從入口區(qū)域到出口區(qū)域有著全汽到全液的變化，入口區(qū)域幾乎都是蒸汽，僅有少量的凝結(jié)水。分布如圖2所示。

圖2 HTRI殼程凝液分析頁(yè)面

此設(shè)備殼程側(cè)入口規(guī)格為DN350，出口為DN200，正常運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水是不會(huì)出現(xiàn)滯留的。當(dāng)系統(tǒng)以較極端的50%負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，切除2臺(tái)蒸汽加熱器，減少并聯(lián)運(yùn)行設(shè)備的臺(tái)位，其運(yùn)行的設(shè)備狀態(tài)與正常運(yùn)行時(shí)相似。因此，設(shè)置側(cè)面入口的設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，入口附近不會(huì)有很多凝結(jié)液積存，不會(huì)產(chǎn)生汽流對(duì)高液位產(chǎn)生的額外的水擊振動(dòng)。

1.3 設(shè)計(jì)上采取的其他防振措施

此蒸汽加熱器在殼程水平入口處用兩排防沖桿代替常規(guī)防沖板，使入口的高速汽流有更好的分布，防沖擋桿孔規(guī)格如圖3所示。在入口正對(duì)著接管部位加裝了一塊支撐導(dǎo)流，縮小了入口區(qū)間換熱管的無(wú)支撐跨距；還使用了可變折流板間距，使入口附近的板間流速趨于均衡，這些措施都改善了入口附近的蒸汽流動(dòng)，減緩了氣流沖擊振動(dòng)。

圖3 防沖擋桿孔規(guī)格圖

2 換熱器的防振設(shè)計(jì)

汽體物料在大體積流量以高流速換熱時(shí)，是非常容易使換熱器產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p壞的，因此對(duì)這6臺(tái)換熱器的進(jìn)行了防振設(shè)計(jì)。

1）這里的汽水換熱器殼程進(jìn)入的蒸汽從過(guò)熱狀態(tài)冷卻到過(guò)冷水狀態(tài)，在整個(gè)換熱中經(jīng)歷了汽、水兩相的過(guò)程。首先遵循GB/T 151-2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)要求，折流板采用垂直缺口介質(zhì)左右折流，有利于汽、液的充分流動(dòng)、換熱，避免形成死區(qū)。

2）為了減緩入口沖擊，加強(qiáng)防振效果，在殼體蒸汽入口處，沒(méi)有采用常規(guī)的板式防沖擋板，而是設(shè)計(jì)了雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜但性能更好的雙排實(shí)心防沖擋桿結(jié)構(gòu)。同時(shí)進(jìn)口區(qū)域留足了馬鞍形空間。這里使用防沖擋桿結(jié)構(gòu)增大了蒸汽的流通面積，又充分減緩了進(jìn)入的汽流對(duì)換熱管和鄰近介質(zhì)的直接沖擊。

3）對(duì)于換熱器設(shè)備殼程的進(jìn)出口接管，在管線設(shè)計(jì)上也采用了足夠的口徑。進(jìn)口選用了DN350，出口選用了DN200的接管，有利于物料的進(jìn)入和流出。

4）該換熱器之所以在設(shè)計(jì)上采用殼側(cè)蒸汽側(cè)入的方式，而沒(méi)有采用蒸汽頂部進(jìn)入的方式，是根據(jù)HTRI軟件振動(dòng)分析結(jié)果確定的。當(dāng)頂部進(jìn)入時(shí)，振動(dòng)報(bào)警，而水平進(jìn)入則無(wú)問(wèn)題。這可能是由于蒸汽從側(cè)面進(jìn)入后會(huì)直接形成左右折流的流動(dòng)換熱；而從頂部進(jìn)入之后，上下流動(dòng)要轉(zhuǎn)換成左右流動(dòng)，流場(chǎng)更復(fù)雜，更易發(fā)生振動(dòng)。校核工況的HTRI分析結(jié)果符合換熱器減振的設(shè)計(jì)要求[3]。

3 低負(fù)荷工況下HTRI換熱計(jì)算軟件對(duì)殼體液位的模擬情況

HTRI軟件是國(guó)內(nèi)外通用的獲得廣泛認(rèn)可的進(jìn)行換熱器工藝計(jì)算的專業(yè)軟件。該軟件可以進(jìn)行各種情況下的振動(dòng)和噪聲分析。

3.1 正常運(yùn)行工況下殼程蒸汽冷凝的比例關(guān)系

在設(shè)備正常工況運(yùn)行時(shí)，殼程從進(jìn)口的100%比例的蒸汽通過(guò)換熱會(huì)轉(zhuǎn)換到出口的100%比例的凝液。對(duì)應(yīng)面積余量最大為64%的校核工況，殼程汽、液量的模擬曲線如圖4所示。

圖4 校核工況下殼側(cè)凝液形成量的體積比例關(guān)系模擬圖

3.2 給定條件下沖擊情況

在給定的條件下，采暖水為2706 t/h并由90 ℃升溫到127 ℃時(shí)，HTRI軟件計(jì)算得到這是面積余量最大的工況，假設(shè)多余的面積被水平的液面淹沒(méi)掉，這也就是液面最高的工況。經(jīng)過(guò)核算，在63%面積余量時(shí)，應(yīng)淹沒(méi)約280根管，此時(shí)液位高度約為400 mm，即蒸汽入口接管DN350口徑范圍下部23%高度被淹沒(méi)，上部73%高度是汽態(tài)的，此時(shí)進(jìn)入汽流不會(huì)對(duì)液面形成明顯沖擊。

而在實(shí)際操作中還可通過(guò)調(diào)整投用換熱器的數(shù)量來(lái)降低面積余量，從而會(huì)避開所擔(dān)心的高液面。

3.3 在50%負(fù)荷下殼程液位的模擬

通過(guò)計(jì)算面積余量來(lái)計(jì)算液位高度[4]。當(dāng)設(shè)備在50%負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，有兩種操作情況：一是溫差不變，采暖水流量降低50%；二是采暖水流量不變，加熱溫差降低50%。

對(duì)應(yīng)加熱溫差不變，采暖水流量降低50%的工況，可正常使用2臺(tái)設(shè)備并聯(lián)工作，此時(shí)二用四停，運(yùn)行換熱器的工作情況與原流量的4臺(tái)換熱器相同。按最苛刻的校核工況，其面積余量仍為64%，液位仍為23%。因而，在該負(fù)荷工況下，不會(huì)形成汽流對(duì)換熱器內(nèi)部液面的明顯沖擊現(xiàn)象。

對(duì)應(yīng)采暖水流量2706 t/h不變，加熱溫差降低1倍，由90 ℃到109 ℃的工況，通過(guò)HTRI軟件的計(jì)算，對(duì)應(yīng)原面積余量最大的校核工況，仍可用2臺(tái)設(shè)備并聯(lián)工作，此時(shí)的面積余量為98%，液位總高度約為500 mm。因而DN350管口有一半的空間是汽態(tài)的，HTRI軟件的分析結(jié)果顯示不會(huì)形成汽流對(duì)液面的明顯沖擊。

如按設(shè)計(jì)工況50%負(fù)荷核算，采暖水流量為1664 t/h，加熱溫度到120 ℃，投用2臺(tái)換熱器，此時(shí)的面積余量為78%，液位總高度約為450 mm。因而進(jìn)口DN350口徑的空間有一多半是汽態(tài)的，換熱計(jì)算及其振動(dòng)分析的結(jié)果顯示不會(huì)形成汽流對(duì)液面的明顯沖擊。

3.4 換熱器內(nèi)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的分析

對(duì)于換熱器，其內(nèi)部空間幾乎被管束填滿，互相交錯(cuò)的換熱管之間的間隙僅為7 mm左右。蒸汽、凝液需要靠壓力作用從進(jìn)口向出口邊流動(dòng)邊換熱[5]。蒸汽越來(lái)越少，凝液越來(lái)越多，到出口都變成凝液排出，殼內(nèi)液體不會(huì)是水平的，入口的液面要低于出口液面。另外，這個(gè)管束又如同一盆水泡著石子，蒸汽吹入時(shí)，加上兩排防沖擋桿，很難激起多大的振動(dòng)。

4 設(shè)備操作方面的保障

首先，在換熱器的正常使用過(guò)程中，要保持凝結(jié)水流動(dòng)的通暢，避免形成人為滯留產(chǎn)生的高水位。另外，當(dāng)換熱系統(tǒng)負(fù)荷變動(dòng)較大時(shí)，要按照設(shè)計(jì)要求適時(shí)調(diào)整并聯(lián)運(yùn)行換熱器的數(shù)量，以便在小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能及時(shí)切除部分換熱器的運(yùn)行，使得運(yùn)行的換熱器保持較小的面積余量，降低殼程凝結(jié)水的液位，從而消除小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)入口汽流對(duì)高液位的沖擊可能帶來(lái)的水擊或振動(dòng)。

5 結(jié)論

綜上所述，該換熱系統(tǒng)選用的6臺(tái)汽水換熱器，在使用過(guò)程中能夠滿足正常生產(chǎn)運(yùn)行工況的要求；另外，對(duì)單臺(tái)換熱器在50%設(shè)計(jì)工況和校核工況進(jìn)行了核算，也不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲或者水擊等現(xiàn)象，完全滿足使用要求。該換熱器系統(tǒng)從設(shè)計(jì)完成到安裝調(diào)試及使用后，一直運(yùn)行正常。證明在該換熱器設(shè)備的設(shè)計(jì)上所采取的振動(dòng)消除措施是有效的，能夠達(dá)到減振的要求，可供類似換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行振動(dòng)消除，延長(zhǎng)換熱器的使用壽命，加強(qiáng)換熱器的換熱效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。