管殼式與板式水水換熱器的比較分析

1、摘要：通過閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中水水換熱器的選型，詳細論述了管殼式與板式換熱器的結(jié)構(gòu)性能技術(shù) 經(jīng)濟比較，為水水換熱器的選型提供參考。關(guān)鍵詞：換熱器性能比較從國內(nèi)已建發(fā)電廠來看， 用于閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水水換熱器有兩類，一類是管殼熱換器，另一類是板式換熱器。 管殼換熱器是常用的換熱器形式，在電廠設(shè)計中已得到了廣泛的應(yīng)用，而在國內(nèi)一些進口機組的電廠、燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠和核電站多有采用板式換熱器。由于板式換熱器緊湊、重量輕、高傳熱效率，人們對它的興趣日益增長。本文針對管殼 式及板式換熱器二種型式進行比較，并提出選型參考意見。1管殼式及板式換熱器結(jié)構(gòu)簡介（1）管殼式換熱器管殼式換熱器是由前水室、管束

2、、筒體、后水室等組成。管束采用可抽式管束，它由前后管板、折流板、拉桿、定距管、換熱管組成。拉桿與管板、拆流板采用絲扣連接，換熱管 與管板采用脹接加密封焊。在殼側(cè)水入口處的管束上設(shè)置防沖板，以防止被冷卻水直接沖刷換熱管。為了減少管束裝入或抽出筒體時的摩擦力，在管束上設(shè)有滑軌。 為了檢查清理室中垃圾、泥沙及管子的堵塞等，在前后水室端蓋上設(shè)有檢查孔。為了監(jiān)視水水換熱器的運行情況，在被冷卻水側(cè)（除鹽水側(cè)）及冷卻水側(cè)（海水側(cè)）進出口都設(shè)置溫度和壓力測點，此外 還設(shè)有排氣和放水接口等。（2）板式換熱器|板式換熱器是由一組波紋形的平行金屬板構(gòu)成的，在板片的4個拐角處都有通道孔， 板被夾緊在一個側(cè)面附有連接管

3、的固定板和活動壓緊板的框架中，并用夾緊螺栓加以夾緊。 這些連接管同板上的通道孔對中，并與熱交換的兩種液體的外部管路相連，傳熱板和活動壓緊板懸掛在頂部承載梁的下面并由底部橫梁使其對準定位。傳熱板本身是有其有特定形狀并被固緊的墊片密封，以防止外部泄漏，并把熱交換的兩種液體按逆流方式交替地流過另一對傳熱板之間的通道內(nèi)。板片上的波紋不但提高流體的湍流程度，并且形成許多接觸點，以承受正常的運行壓力。流體的流量、物理性質(zhì)，壓降和溫度差決定了板片的數(shù)目和尺寸。2換熱器設(shè)計條件換熱器設(shè)計應(yīng)滿足電廠從起動到最大出力時各種負荷下的運行需要，并留有一定的裕量，保證換熱器在最大負荷、最高進水溫度和最大污垢熱阻時，在規(guī)

4、定的檢修周期內(nèi)，仍能完成給定的冷卻任務(wù)。以國產(chǎn)引進型300 MW燃煤機組為例，各冷卻設(shè)備要求冷卻水進水溫度不大于37.5C,從冷卻設(shè)備出來被加熱過的冷卻水最高溫度約為42. 8C,其基本參數(shù)如下：被冷卻水除鹽水設(shè)計壓力1. 0 MPa流量1800 m / h進出水溫度42. 8/ 37. 5壓降0. 06 MPa冷卻水海水（海水與河水交替變化）設(shè)計壓力0. 5 MPa進水溫度33 C出水溫度II循環(huán)水量1壓降0. 050. 06 MPa3管殼式及板式換熱器的比較3. 1設(shè)計參數(shù)比較根據(jù)換熱器的設(shè)計條件分別作了如下3個方案方案 1 :2臺100%容量的管殼式換熱器ni萬案2:2臺100%容量的板

5、式換熱器1萬 3:3臺50%容量的板式換熱器各方案的參數(shù)見表1。表1 各方案換熱器的設(shè)計養(yǎng)數(shù)斥號單僮方案I（骨殼式）方潮2(#jC>方察31朋水換輅型式曽元上厳式後式2irt'/Ti1和0ist»9003朮水換熱器安裝臺璽/運齊臺霰2/13/13/241 rtf10237S5.7314.65撿嬉嬴述W/irt1 * kJ337944354腎It朮人口制度仆42.8除赴空出口溫度T.37.557.537S7循怖朮人口 ifl度£333333轄汗水出口溫度J6.339盟8飩環(huán)朮眾陰m Zh 30GOlfi32S21.49材甌:-i炊械10外帶甩寸mm4300 k

6、1300 x M703100X T項XJx 25SO11重A27ODZ501V=72&3. 2開式循環(huán)冷卻水 （水水換熱器冷卻水側(cè)）系統(tǒng)設(shè)備選擇比較根據(jù)管殼式及板式換熱器的不同結(jié)構(gòu)形式和冷卻水量，需選擇不同的電動濾網(wǎng)和開式循環(huán)冷卻水泵，詳見表 2。嬴2各方累選擇的譴網(wǎng)與水泵魅數(shù)項忖單位方案慎営売式）方案2.3（®式）24能-肌耐隔朮）20sh- 13拭耐海水開式屛*2304- S60O1440- 2232揚祥mltO3L5-2O34*25電動機功率kW2»0215安裝會數(shù)會22運行白散臺11舉號立底（附梅*）立或（耐懈水）m3 Zh mooo170C淖購孔脛mm06

7、射73. 3流動傳熱設(shè)計比較管殼式換熱器的管子是換熱器的基本構(gòu)件，它為在管內(nèi)流過一種流體和穿越管外的另一種流體之間提供傳熱面。根據(jù)兩側(cè)流體的性質(zhì)決定管子材料，將具有腐蝕性，水質(zhì)差的海水 放在管內(nèi)流動，水質(zhì)較好的除鹽水放在管子外殼側(cè)，這樣管子只需采用耐海水腐蝕的鈦管， 同時清洗污垢較為方便， 管徑從傳熱流體力學(xué)角度考慮，在給定殼體內(nèi)使用小直徑管子，可以得到更大的表面密度， 但大多數(shù)流體會在管子表面上沉積污垢層，尤其管內(nèi)冷卻水水質(zhì)較差，泥沙和污物及海生物的存在，都可能會在管壁上形成沉積物，將傳熱惡化并使定期的清洗工作成為必要，管子清洗限制管徑最小約為 20 mm，鈦管一般采 25 mm,對給定的流

8、體， 污垢形成主要受管壁溫度和流速的影響，為得到合理的維修周期， 管內(nèi)側(cè)水的流速應(yīng)在 2m/s左右(視允許壓降的要求)。由于一般冷卻水選用海水、河水等，較易引起結(jié)垢，對管 殼式換熱器，應(yīng)根據(jù)水質(zhì)含沙量情況需設(shè)置膠球清洗裝置進行定期清洗。板式換熱器的冷卻水和被冷卻水在波紋板的兩側(cè)對流，波紋采用人字形波紋， 這些傳熱板的波紋斜交，即在相鄰的傳熱板上具有傾斜角相同而方向不同的波紋。沿流動方向橫截面積是恒定的，但是由于流動方向不斷變化致使流道形狀改變，而引起湍流。一般傳熱板的波紋深度為35 mm ,湍流區(qū)流速約為 0.11.0 m/s,波紋板很薄，厚度為 0. 61 mm ,相 鄰板間要有許多接觸點，

9、 以承受正常的運行壓力， 相鄰的板有相反方向的人字形溝槽， 兩種 溝槽的交叉點就形成接觸點， 這樣還可消除振動， 并且在促進湍流和熱交換的同時， 消除了 由于疲勞裂縫引起的內(nèi)部泄漏。人字形波紋板湍流度較高，高湍流還能充分發(fā)揮清洗作用， 可以特別有效的將沉積污垢減至最小，但是波紋板的接觸點較多，當液體水質(zhì)差，含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時，由于板間隙很窄，所以要盡可能地保證將所有2 mm以上顆粒在進入換熱器以前，都要過濾掉，假如濾網(wǎng)不能有效地發(fā)揮作用，就容易發(fā)生堵塞。3. 4傳熱系數(shù)的比較管殼體換熱器中，一種流體橫向掠過管子通過管壁與管內(nèi)流動的另一種流體換熱，彼此垂直交叉流動，其傳熱系數(shù)一般

10、為10003000 w /( m2. k)。板式換熱器中，冷卻水側(cè)與被冷卻水側(cè)流動均勻湍流，兩種流體逆向流動，由于波紋的作用引起湍流，從而產(chǎn)生高傳熱率， 高阻力壓降以及高切應(yīng)力場，這將導(dǎo)致抑制污垢在傳熱面上形成。其傳熱系數(shù)一般為 35005500 w / ( m2 . k)，由此，可節(jié)省換熱器的換熱面積。3. 5端差比較管殼式換熱器傳熱端差(即冷卻水進口溫度和被冷卻水出口溫度差)為5C左右。板式換熱器由于它的結(jié)構(gòu)特點可以經(jīng)濟地做到低至1C的端差。3. 6冷卻水量比較管殼式換熱器一般冷卻水量和被冷卻水量之比為1 . 2 2. 5 ： 1。板式換熱器， 由于 2 種介質(zhì)流道基本相同且傳熱效率高，

11、因此板式換熱器可大大降低冷 卻水量，一般冷卻水量和被冷卻水量之比為0.81.1 : 1，這樣可以降低管道閥門和泵的安裝運行費用。3. 7 安裝檢修的比較板式換熱器具有體積小， 重量輕的特點， 檢修方便， 不需設(shè)檢修起吊設(shè)施， 故安裝占地 較少。 板式換熱器的人工維護包括將整機折開， 用噴水槍和刷子清洗板和墊片， 檢查板片和 墊片， 如有必要， 更換板片和墊片。 板式換熱器一般每年要清洗 1 次， 并且無論是否實際需 要都要做。 當應(yīng)用河水、 海水等水質(zhì)較差的冷卻水時， 由于泥沙和污物的存在， 以及微生物 的快速生長有引起表面污染和堵塞的危險。在國外，應(yīng)用河水作冷卻水時，清洗頻率很高， 平均每年

12、 3. 3 次。管殼式換熱器是由管束組成， 自身重量體積都較大， 在檢修抽管時需要留出管束一樣長 的距離，故占地較多，還需配備必要的起吊檢修設(shè)施。管殼式換熱器的設(shè)計壽命一般為30年，大修周期 4 年，當換熱器發(fā)生泄漏時， （可能是管子與管板間的泄漏或是管子破裂引起 的泄漏）可以采用堵管的辦法在短時間內(nèi)恢復(fù)工作性能，管殼式換熱器允許有7的堵管裕量。對于管內(nèi)的清洗可以根據(jù)需要采用膠球清洗裝置進行定期的機械 清洗。4 換熱器在國內(nèi)電廠的運行情況（ 1 ）華能岳陽電廠的 2臺 362 MW 機組，是由英國制造，板式換熱器是隨主機成套供 應(yīng)。電廠位于長江邊，循環(huán)水為長江水，當?shù)亻L江水質(zhì)特點為粗沙少、細沙

13、多，水草多，對 此循環(huán)水進汽機房前設(shè)置三道濾網(wǎng)以對付水草等， 但據(jù)電廠反映， 板式換熱器易被堵塞， 據(jù) 分析原因是旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)密封性差，漏入水草，根本問題是三道過濾效果差。（ 2）上海吳涇電廠六期工程主機是上海生產(chǎn)的300 MW 引進型機組，該機組閉式冷卻水系統(tǒng)中， 管殼式水水換熱器的冷卻水由循環(huán)水系統(tǒng)供給， 循環(huán)水取之黃浦江之水， 水中垃 圾、雜物較多，因此在水水換熱器入口前設(shè)置了兩臺開式旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，11 號機原設(shè)計裝用的濾網(wǎng)為國外進口設(shè)備，濾網(wǎng)孔徑34 mm,由于黃浦江水質(zhì)差，經(jīng)常發(fā)生堵塞，運行中無法進行自動清洗，經(jīng)多次調(diào)試無效，為此在運行中進行人工拆、裝總清洗，勞動強度大，又 影響機組安全運行

14、,基本上每隔一天,需人工清洗一次。分析原因主要是由于濾網(wǎng)孔徑太小, 濾網(wǎng)在結(jié)構(gòu)等設(shè)計上不太適合我國水質(zhì)情況。 針對 上述問題，采用了新的自動反沖洗電動濾網(wǎng)，濾網(wǎng)孔徑為“6mm后運行情況良好，未曾發(fā)生堵塞。我國早期投產(chǎn)的300 MW的燃煤機組閉式冷卻水系統(tǒng)大多選用管殼式水水換熱器，運 行情況都比較好。近年來由于技術(shù)的不斷進步，設(shè)計優(yōu)化的需要，管殼式水水換器占地面積大、檢修場地大的缺點在主廠房布置優(yōu)化中更顯突出，在一些循環(huán)水系統(tǒng)為二次循環(huán)冷卻水的機組中，考慮到水水換熱器的冷卻水水質(zhì)相對較好、雜質(zhì)少、污染小以及濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷改進，閉式冷卻水系統(tǒng)中亦有選用板式換熱器。5技術(shù)經(jīng)濟性分析以國產(chǎn)引進型300

15、 MW機組為例，根據(jù)水水換熱器的設(shè)計條件及閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng) 的要求，管殼式及板式制造廠家分別作了初步的報價，其他主要輔助設(shè)備只是估價，比較情況詳見表3。喪3三方舉的投資比輪mo單也方案2（骨売養(yǎng)）設(shè)和方元2 2102 k 2193 k 122開或:循環(huán)水乘萬元2x382x n2x 17痹用萬元ttts電動誌陽2830304M5瞬43C也備量用比較萬元0 274呼置巒號泵功率kW2x 2&O2 k 1152x215運擰電裁懿冏功牢耳亦褰的功2 x CO,75 +0.37(0,37 + 0.372x(0,37 + 0,37)LW0-|?0,T6+ 130.7ftUK0_1嚴5*血年運打弭用比統(tǒng)萬元0丄LIUL宀ij.7板式換熱器采用進口設(shè)備，它的報價已按報價時的匯率折算成人民幣，并只考慮了增值稅。上表中未包括維護和檢修費用，因其較難估出，只能定性分析，對于管殼式換熱器主要包括水室里污物的處理，發(fā)生