上海航天能源股份有限公司 魏 馳

燃?xì)怆姀S調(diào)壓站管殼式換熱器的比較與分析

上海航天能源股份有限公司 魏 馳

目前用于燃?xì)怆姀S調(diào)壓站的換熱器主要有國產(chǎn)單管式及進(jìn)口雙管式兩種型式，文章主要從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對這兩種換熱器進(jìn)行比較、分析。

管殼式換熱器 雙管 安全性 經(jīng)濟(jì)性

0 概述

氣體燃料中所含的液體會引起燃?xì)廨啓C(jī)燃料噴嘴的損壞，用于DLN燃燒系統(tǒng)時會引起預(yù)混合火焰逆燃或預(yù)混區(qū)著火，因此，各燃?xì)廨啓C(jī)的氣體燃料規(guī)范中，對燃?xì)膺^熱度都有一定的要求。過熱度是氣體燃料溫度及其各自的露點之間的溫差，規(guī)定過熱度可以補(bǔ)償由于氣體燃料通過控制閥時膨脹所引起的溫降，防止凝液析出。由于燃?xì)怆姀S通常都有比較穩(wěn)定的蒸汽或熱水熱源，管殼式換熱器這種結(jié)構(gòu)堅固、易于制造的換熱設(shè)備，被廣泛用來給天然氣加熱，以保證其溫度滿足要求。目前，電廠調(diào)壓站常用管式換熱器有兩種，一種為國產(chǎn)單管式換熱器，一種為進(jìn)口雙管式換熱器。單管式換熱器造價低、安全性較差，而雙管式在保證安全性的同時，也存在造價過高的弊端，因此，如何選擇合適的管式換熱器，一直是電廠業(yè)主和設(shè)計院關(guān)注的焦點。本文主要對這兩種換熱器進(jìn)行比較分析。

1 管殼式換熱器簡介

管殼式換熱器是間壁式換熱器的一種，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，其主要又分為固定管板式、U型管式以及浮頭式等幾種類型。圖1所示為典型固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)組成。流體Ⅰ在管外流動(即殼程)，流體Ⅱ在管內(nèi)流動(即管程)，兩種流體通過換熱管束的壁面作為傳熱面進(jìn)行換熱。管外各管間設(shè)置有一些圓缺形擋板，其作用是提高管外流體的速度，使流體充分流經(jīng)全部管面，從而提高殼側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。此外，擋板還可以起到支承管束、保持管間距等作用。

圖1 管殼式換熱器示意

由于結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，且對高溫、高壓的適應(yīng)性較強(qiáng)，管殼式換熱器一直用于燃?xì)怆姀S調(diào)壓站的換熱。近幾年來，由于電廠方面對換熱安全性的重視，一種采用雙層換熱管束的換熱器正逐步得到應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)及安全性分析

從管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)來看，換熱管和管板是換熱器管程和殼程之間的惟一屏障，大多數(shù)換熱器的破壞均發(fā)生在換熱管與管板的連接部位。燃?xì)怆姀S中管式換熱器的使用工況都比較惡劣，一方面管程天然氣壓力遠(yuǎn)高于殼程熱源壓力，另一方面熱源與天然氣之間又存在較大的溫差。這就使得換熱管與管板接頭處除了要承受較大壓差力外，還要受到較大的溫差應(yīng)力作用，容易發(fā)生破損，導(dǎo)致?lián)Q熱器失效。而一旦連接部位破損，高溫或高壓介質(zhì)會滲漏至低溫低壓側(cè)，將造成進(jìn)一步的破壞。因此，換熱管與管板之間的連接接頭的質(zhì)量，直接影響著電廠設(shè)備及裝置的安全可靠性。

換熱管與管板之間的連接，目前主要有脹管、焊接以及脹接加焊接三種方式。脹管對管板變形影響小，但制造工藝復(fù)雜，且不適宜用在壓差、溫差大的場合。而脹接加焊接的工藝雖然克服了脹接強(qiáng)度低和焊接存在應(yīng)力、腐蝕破裂等缺點，但其制造工藝更加復(fù)雜，成本高，而且制造過程中脹接與焊接的過程會相互影響，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此，工藝簡便、又具有較好緊密型的焊接工藝，應(yīng)用最為普遍。燃?xì)怆姀S中管式換熱器，其換熱管與管板的連接，一般都采用焊接方式。

長期以來，固定管板和U型管式的單管式換熱器在燃?xì)怆姀S調(diào)壓站行業(yè)一直處于主導(dǎo)地位，但由于 2007年國內(nèi)某電廠單管式換熱器的一次破管事故，再加上近年來國外廠家的市場推廣，雙管式換熱器正在逐步取代單管式換熱器的地位，在電廠調(diào)壓站中得到越來越廣泛的應(yīng)用。見圖2。

圖2 雙層管束結(jié)構(gòu)示意

與傳統(tǒng)單層管壁的換熱器相比，雙管式換熱器的換熱管采用雙層管束結(jié)構(gòu)。這種雙層管束的設(shè)計在每一端都有兩個管板，兩層管路各固定在不同的管板上，當(dāng)兩管脹接時，兩層管壁之間會形成極細(xì)小的通路，用于收集和導(dǎo)出滲漏媒介。即使內(nèi)管出現(xiàn)了滲漏，系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)工作，一直到下一個例行檢修期的到來。

這種雙管式結(jié)構(gòu)大大提高了換熱器的安全可靠性，也保證了電廠調(diào)壓站整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

由于國內(nèi)加工工藝的限制，目前燃?xì)怆姀S行業(yè)所使用的雙管式換熱器均為進(jìn)口設(shè)備，其性能穩(wěn)定可靠的同時，也導(dǎo)致投資成本急劇上升。根據(jù)對近兩年電廠項目換熱器的報價數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，同樣一個項目的換熱，雙管式換熱器的投資是國產(chǎn)單管換熱器的3~4倍。以2014年華電集團(tuán)某電廠項目為例，其招標(biāo)方案中，要求采用兩個換熱器分別進(jìn)行報價，表1為兩種換熱器的投資價格表。

表1 單、雙管式換熱器投資成本對比表

通過比較可發(fā)現(xiàn)，采用雙管式換熱器方案，僅設(shè)備成本就要高出單管式換熱器方案近100萬元。另一方面，由于多了一層套管，雙管換熱器的熱效率要低于同樣管徑的單管換熱器，這意味著更多的熱源消耗。根據(jù)廠家提供的換熱效率，再結(jié)合兩者的換熱計算書進(jìn)行比較計算，雙管換熱器效率比單管低5%~10%左右。華電集團(tuán)某電廠項目采用的熱源為過熱蒸汽，兩種方案的運(yùn)行成本分析見表2。

表2 單、雙管式換熱器運(yùn)行成本對比

通過對比可見，采用雙管式換熱器方案，每年的運(yùn)行成本要比單管式換熱器方案高出10多萬元。

燃?xì)怆姀S調(diào)壓站的整體投資，一般在500萬元到1 500萬元之間，換熱設(shè)備的投資，在調(diào)壓站的整體投資中占有一定分量。通過比較設(shè)備投資成本和運(yùn)行成本可知，在經(jīng)濟(jì)性方面，單管式換熱方案要遠(yuǎn)優(yōu)于雙管式換熱方案。

4 結(jié)語

就安全性而言，雙管式換熱器要優(yōu)于單管式換熱器，但前者的投資成本也同樣遠(yuǎn)高于后者。如何選擇合理的換熱方案，亦即如何權(quán)衡安全性與經(jīng)濟(jì)性，一直是困擾電廠設(shè)計人員的一道難題。本文通過對這兩種不同的換熱器進(jìn)行比較分析，希望能為相關(guān)設(shè)計人員提供一定的參考意見。同時，隨著國內(nèi)加工工藝水平的提升，以及進(jìn)口產(chǎn)品價格的理性回歸，安全性與經(jīng)濟(jì)性必然能得到更好的平衡。

Comparison and Analysis on Shell-and-tube Heat Exchanger of Regulator in Fuel Gas Power Plants

Shanghai Aerospace Energy Co., Ltd. Wei Chi

Two main styles of heat exchangers are mono-tube heat exchangers at home and double-tube hea exchangers abroad. The paper introduces two kinds of heat exchangers from the perspective of safety and economics.

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