大型热网换热器的选型

吴 斌，江 蛟

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

1 概述

目前国内已投运的热网首站绝大多数采用管壳式换热器。经过多年的运行检验，证明管壳式换热器可靠性高，确实是热网换热器合适的选择。近年来也有个别电厂开始选用焊接板式热网换热器，并已投入运行。板式换热器具有体积小、散热少、传热端差小等特点，在效率方面有优势。

从基于热力学第一定律的能效分析到基于热力学第二定律的火用分析，对换热器的性能评价方法已非常完善。但上述方法理论性强，给出的是一些判别指标，很难计算出板式换热器的具体收益。本文以某工程为例，通过简捷的计算方法，从工程实用的角度，计算出采用板式热网换热器给电厂带来的实际收益，供业内参考。

2 热网首站系统简介

2.1 供热简介

某工程建设2×330MW抽汽供热发电机组，选用哈尔滨汽轮机厂生产的亚临界参数、一次中间再热、单轴双排汽、抽汽凝汽式汽机。两台机组通过热水网向所在地区集中供应采暖热负荷。

采暖用汽从中压缸排汽口抽出，额定抽汽量1000t/h，最大抽汽量1200t/h，对应的最大热负荷为747MW。抽汽压力0.249～0.49MPa，温度262～272℃。

2.2 热网首站的配置

热网循环水量约为10000t/h，供水温度130℃，回水温度70℃。

配3台5000t/h的循环水泵，2台运行1台备用。

热网换热器凝结水经疏水泵打入除氧器回收。设三台50%容量的变频调速疏水泵，两运一备。

热网换热器按选用传统的管壳式换热器和选用板式换热器进行比较。

3 热网换热器型式及特点

3.1 管壳式换热器

管壳式换热器由管室、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。换热管内外表面均呈螺旋状，管程流体在管内呈三维螺旋运动状态向前流动，使换热管层流层厚度减薄，流速很低时就可达到充分湍流，有利于热交换，提高传热效率从而克服了管壳式换热器管程流体界膜传热系数较低的缺点，显著提高换热器的总传热系数，流体阻力损失较小。

总的来说，管壳式换热器有以下特点：

⑴ 耐高温高压，坚固可靠耐用。

⑵ 设计、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟。

⑶ 适用范围大。特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。

最大设计压力：小于100MPa

最高设计温度：650℃

最大壳体直径：φ2600mm

单机最大换热面积：4000m2

换热管规格：φ10～φ70mm

换热管长度：100～12000mm

⑷ 换热管选材广泛：低碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢、高级不锈钢、铜、渗铝管、渗镍管、钛管等。

⑸ 占地面积较大，检修空间较大。

⑹ 总传热系数K一般在1500～2800W/(m2.K)。

⑺ 管壳式换热器的换热管如发生断裂或泄漏可以将该故障管在管板处堵死，而不影响其它通道的运行；可设置膨胀节解决热胀冷缩的问题；在蒸汽侧可安装防冲装置，保护换热管。

3.2 板式换热器

国内目前常见的板式换热器多为水－水换热器，其密封方式为：板片与板片之间的密封采用橡胶类密封条进行密封，这种型式的板式换热器的使用范围为：压力不大于1.6MPa，温度不高于120℃。

热网换热器的汽、水侧使用温度均高于120℃，汽侧温度高达270℃左右，如果要使用板式换热器，则需选用全焊接板式换热器。

相比于普通管壳式的设备，焊接板式热网换热器的体积只有管式的1/3，但是板式汽水换热器传热系数要高得多，且板式换热器适应性强、拆装方便。我国近几年已有电厂在热网首站应用。

全焊板式热网加热器由一叠不锈纲或其它稀有防腐材料制成的传热波纹板片，经交错焊接形成流道，板片两侧的流道在换热器中的单个流程上是错流流动，形成两侧高效率的错－逆流动传热。

全焊板式热网换热器与管壳式换热器对比，有如下优势：

⑴ 波纹管板促进提高湍流度，从而使总体的传热系数达到管壳式换热器的三到五倍。

⑵ 换热器一、二侧温度接近到3℃时还能工作。

⑶ 交错焊接的板片形成湍流，结垢比管壳式换热器轻微得多，运行周期大为加长，基本可以免维护。

⑷ 全焊板式热网加热器的优越性还体现在节能上面。换热器除了满足蒸汽冷凝需求外，还以较高的热效率回收凝结水的热量。

⑸ 板片材料可使用任何可以压制和焊接的材料，包括：AISI 304L 不锈钢、AISI 316L 不锈钢、蒙乃尔镍铜合金、钛、钛—钯、incoloyTM825 耐热镍铬铁合金、hastelloyTMC2000 耐蚀耐热镍合金、合金C22、合金 C276、合金 B2、钽、DIN 1.4335、254 SMO、904L (UB6)。

⑹ 结构紧凑，占用空间仅为管壳式的1/3～1/4。

⑺ 散热损失小，一般为0.3%左右，仅为管壳式换热器的1/3左右。

⑻ 总传热系数K一般在2000～5000W/(m2.K)，高的可达6000～8000W/(m2.K)，比管壳式换热器高几倍。

⑼ 受结构特点限制，难以实现大流量运行。除德国BAVEX公司开发的适用于高温、高压的产品换热面积最高至1900m2外 ，单台换热面积一般在350m2以下。

⑽ 对水质要求较高，结垢与污物堵塞后换热能力下降较快。

板式热网换热器应尽量选用精确激光焊接工艺。激光焊接的优点是焊层较薄，可显著减少加热量，这样就使装置中的内应力较小，从而对疲劳和交变循环不敏感。换言之，激光焊接提高了产品的可靠性，延长了使用寿命。

欧美国家自从1982年以来已经广泛使用全焊板式加热器在电厂做热网加热器，运行近30年基本是免维护，产品的可靠性得到了运行验证。

因此若采用板式热网换热器，推荐采用进口全激光焊产品。

4 热网换热器选型方案

4.1 管壳式换热器方案

该工程若选用管壳式热网换热器，需设置四台面积约1200m2左右的换热器，不考虑备用。当一台换热器停运时，仍能满足75%热负荷的需要。

单台管壳式热网换热器的性能参数见表1。

表1 管壳式热网换热器性能参数

4.2 板式换热器

若采用板式换热器，受单台最大容量的限制，需设置八台板式热网换热器，不考虑备用。每台加热面积约320m 。

单台板式热网换热器的性能参数见表2。

表2 板式热网换热器性能参数

(续)

5 经济性分析

5.1 方案投资

通过向设备厂商询价，该工程管壳式热网加热器方案的设备价为620万元。进口板式热网加热器方案的设备价为1250万元。

可见板式换热器方案比管壳式方案设备费高630万元。若投资收益率按8%，增加的投资考虑10年的合理回收期，则要求板式换热器方案比管壳式方案每年多F1=93.9万元的收益。

5.2 方案经济性评价

根据上面的计算， 该工程若选用四台管壳式热网加热器，全厂需要的加热抽汽量为1064.1t/h。选用八台板式热网换热器，全厂需要的加热抽汽量为1046.6t/h。选用板式换热器传热端差小，散热损失小，全厂可节约加热蒸汽ΔQ=17.5t/h，经济性比选用管壳式换热器好。

对经济收益有两种分析计算方法：一是在电力紧缺时期，节省的抽汽继续在汽机低压缸中做功。也就是维持锅炉出力不变，增加发电出力，产生额外的电费收益；另一种是保持发电出力不变，减少锅炉的蒸发量，节约燃料费用。

5.2.1 第一种方法

⑴ 节约加热蒸汽ΔQ产生的发电功率增加

供热抽汽焓h1=2994.14kJ/kg，低压缸排汽焓hc=2347.0 kJ/kg,低压缸效率ηt=89.2%，机械效率ηt=98.5%，发电机效率ηe=99%。

计得1 7.5 t/h蒸汽引起发电出力增加ΔPp=2736.3kW。

⑵ 凝结水回收引起的发电功率变化

选用板式换热器系统回收134.2℃凝结水1046.6t/h，凝结水焓hs1=564.01 kJ/kg；选用管壳式换热器系统回收139.6℃凝结水1064.1 t/h, 凝结水焓hs2=587.13 kJ/kg。后者可拆分为1064.1t/h、134.2℃凝结水+净热量Qs。因此采用管壳式换热器比采用板式换热器的回热系统多回收： ①17.5t/h、134.2℃凝结水；② 净热量Qs=1064.1×(hs2- hs1)=6834kW。

①多回收的凝结水对发电功率的影响

按照能级就近利用的原则，将该部分凝水回收至#5号低加。采用等效焓降法计算，机组发电功率将增加293.47kW。

②净热量回收对发电功率的影响

按照能级就近利用的原则，净热量回收至#5号低加。采用等效焓降法计算，机组发电功率将增加1485.02kW。

综合①、②两项，在凝结水回收方面，采用管壳式换热器比采用板式换热器方案机组出力多ΔPt=1778.5 kW。

需要说明的是该工程凝结水实际回收至除氧器，回收效果要比就近回收至#5号低加差一些。本文不考虑此负面影响，是偏保守的。

⑶ 板式加热器方案的电费收益

根据上面的计算，选用板式热网换热器方案机组增加电功率ΔP=ΔPp-ΔPpt，计957.8 kW。

该工程采暖期共计4080小时，采暖期增加电量390.8万kWh。该地区上网电价0.35元/kWh计，则板式热网加热器方案电厂每年增加收入136.78万元，大于F1。

按第一种方法分析，选用板式热网换热器是合理的。

5.2.2 第二种方法

通过上节的分析，选用板式热网换热器方案机组增加电功率957.8 kW。当增加的电功率不能转换成上网电量时，可以相应减少锅炉的蒸发量，节约燃料。

根据额定纯凝工况的热平衡计算，957.8 kW的电功率对应2.87t/h的汽机进汽量。

锅炉效率按92%，锅炉减少2.87t/h蒸发量，可节约标煤279.3kg/h。采暖期共计4080小时，采暖期节约标煤1139.5t。该工程标煤价按550元/t计，则板式加热器方案电厂每年节约燃料费62.7万元,小于F1。

按第二种方法分析，选用管壳式热网换热器是合理的。

6 结论

热网换热器可以选择管壳式换热器，也可以选择板片式换热器。若选用板片式换热器，从提高运行可靠性的角度，建议采用进口全激光焊产品。

对于供热规模为10000t/h热水的电厂，选择板片式热网换热器每年可增加电费收益136.78万元或者节约燃料费62.7万元。板式热网换热器节能效果明显，应引起业内关注。

对具体项目，应通过技术经济分析确定热网换热器的型式。一般来说，在热负荷、电负荷充沛的地区，应优先选择进口板片式热网换热器。在电力过剩地区，选用管壳式热网换热器是合理的。

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