換熱設(shè)備采用無垢高效紊流換熱管的應(yīng)用前景2015

1、換熱設(shè)備采用無垢高效紊流換熱管的應(yīng)用前景火電工業(yè)是二次能源生產(chǎn)企業(yè)，又是一次能源消費(fèi)大戶?；痣姽I(yè)能源能耗量大，消耗量占總量的一半以上，所以火電企業(yè)節(jié)能減排工作的重要性更為突出。降低一次能源的消耗而產(chǎn)出隨著我國(guó)電煤供應(yīng)緊張，價(jià)格上漲，的二次能源是火電企業(yè)今后努力的方向。燃煤燃?xì)鈾C(jī)組的節(jié)能減排工作在展開，節(jié)能降耗技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在提高燃煤燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的效率方面， 不斷采用技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)上合理、符合環(huán)境保護(hù)要求的新工藝、新技術(shù)，以減少 電力生產(chǎn)過程中的損失和浪費(fèi)，使電力生產(chǎn)更具經(jīng)濟(jì)性，有效利用資源，減少污染物和溫室氣體的排放?；鹆Πl(fā)電的整個(gè)熱力系統(tǒng)比較龐大，其中的冷端系統(tǒng)是發(fā)電生產(chǎn)運(yùn)行中

2、非常重要的組成部分，凝汽器又是這個(gè)冷端系統(tǒng)的設(shè)備。通過定量分析影響冷端方法，優(yōu)化或改善冷端系統(tǒng)性能的主要，找出設(shè)備或系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)和設(shè)備運(yùn)行水平，能有效提高機(jī)組冷端性能，降低機(jī)組煤耗。汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)節(jié)能和優(yōu)化的最終目的是獲得最佳的凝汽器真空。在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，如何優(yōu)化凝汽器的最佳性能，并且在能量消耗最低的情況下獲取最有利的運(yùn)行真空，是火電機(jī)組運(yùn)行中一個(gè)迫切需要解決。從機(jī)組冷端系統(tǒng)著手，提高機(jī)組汽輪機(jī)冷端性能，具有投入小、見效快的效果，是電廠節(jié)能降耗提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性、實(shí)現(xiàn)效益最大化的最佳途徑之一。一、冷端系統(tǒng)的凝汽器凝汽器是汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的設(shè)備，凝汽器真空是冷端系統(tǒng)性能體現(xiàn)的最重要參數(shù)

3、。凝汽器的壓力也是凝汽器傳熱性能的綜合體現(xiàn)，從圖 1，圖 2 可以看出其升高或降低將直接導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行。情況下甚至影響機(jī)組的安全目前發(fā)電廠配備的幾乎都是表面列管式凝汽器，這種列管式凝汽器是由數(shù)千根或的換熱管組成，運(yùn)行中需要大量的工業(yè)冷卻水作為冷卻介質(zhì)通過換熱管的，來實(shí)現(xiàn)熱交換。雖然凝汽器制造企業(yè)在設(shè)計(jì)制造中已將總傳熱系數(shù) K 留1有足夠的余量而增加了傳熱面積，但是在實(shí)際的運(yùn)行中仍然有經(jīng)常會(huì) 產(chǎn)生換熱系數(shù)下降，而無法保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。造成換熱管換熱系數(shù)下降的原因有很多，如冷卻水的溫度、冷卻水的進(jìn)水量、被冷卻物的溫度和流量，及換熱管的清潔度。除換熱管的清潔度外，其余的指標(biāo)都可以在工廠的

4、生產(chǎn)過程中控 制和設(shè)定的，唯獨(dú)換熱管的清潔度是不確定。那么換熱管的清潔度是怎么下降的？清潔度的下降會(huì)帶來怎樣的結(jié)果？清潔度下降主要是由于水源和水質(zhì)的差異引起的。沿江（河）或沿海采用直流供水的機(jī)組，水中的雜物和有機(jī)生物是主要原因；而采用循環(huán)供水冷卻的機(jī)組，影響 換熱管的清潔度的污垢主要來自循環(huán)水中礦物質(zhì)鹽類生成的碳酸鈣和碳酸鎂等 硬垢。凝汽器制造廠的性能介紹書中對(duì)凝汽器的清潔系數(shù)給出了定值或合理范 圍，清潔度一般為0.8-0.85，而 300MW 機(jī)組平均運(yùn)行清潔度為0.6。當(dāng)清潔度為0.37時(shí)，影響真空度約2.45kPa。凝汽器中281 換熱管的B5材料換熱管結(jié) 垢0.5mm，使得傳熱熱阻增加

5、近一倍，相應(yīng)的傳熱系數(shù)下降近50%，同時(shí)使冷卻 管通流面積減少7.6%，既影響了換熱效果，又增加了循環(huán)水的阻力。這說明換熱管清潔度低將導(dǎo)致傳熱熱阻增大，總體傳熱系數(shù)降低，凝汽器傳熱端差增大， 引起凝汽器壓力升高（真空下降）。圖1 真空、端差與機(jī)組煤耗關(guān)系圖2圖2 真空、端差與機(jī)組熱耗關(guān)系圖二、改善清潔度的現(xiàn)狀和措施前述的電廠配備一般都是表面列管式凝汽器，所用換熱管幾乎都是銅或不銹鋼的光管，也有部分電廠采用鈦管或波紋管。這些換熱管短期的換熱效果應(yīng)該是可以的，尤其是后兩種，鈦管可以減緩腐蝕和延緩結(jié)垢，波紋管可以增加換熱效率，但是它們都無法長(zhǎng)期做到在保持潔度狀態(tài)下運(yùn)行。為解決這個(gè)重要的問題，電廠都采

6、用膠球、酸洗或水處理（加藥）的應(yīng)對(duì)方式。膠球是大型電廠廣泛使用的一種工藝，它的目的是維持換熱管的清潔度。根據(jù)各電廠的不同情況，膠球的間隔時(shí)間各有不同，有的數(shù)周，有的每天一次。這就意味著管內(nèi)的清潔度是和時(shí)間成正比的。雖然膠球裝置工藝很成熟，但是所帶來的不利有很多，一是需配備獨(dú)立的膠球裝置；二膠球裝置由于種種原因回收率并不高；三是凝汽器內(nèi)存在死角，部分換熱管內(nèi)無膠球進(jìn)入無法進(jìn)行；四是膠球運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)后易膨脹容易在管內(nèi)堵塞造成該管換熱失效；而酸洗是針對(duì)有硬垢產(chǎn)生的換熱管清潔工藝，它的不利主要有以下幾點(diǎn)：（1） 一般只能在大修停機(jī)時(shí)才能進(jìn)行，費(fèi)用高；（2）由于硬垢和管內(nèi)壁的咬合，每次都會(huì)剝?nèi)ゲ糠止軆?nèi)壁材

7、質(zhì)，造成管壁減薄，大大縮短換熱管使用壽命，影響機(jī)組安全；（3）對(duì)環(huán)境帶來污染等。三、換熱管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)和傳熱特征3換熱管的作用是將管內(nèi)外兩種相同或不同介質(zhì)的熱能相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)換熱管內(nèi)要帶走管外的熱能時(shí)，管壁充當(dāng)傳熱的角色，換熱管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)方向在的流速合理的情況下是由管內(nèi)壁形狀決定的。對(duì)光管來說，在一般情況下，以層 流的形式出現(xiàn)，管內(nèi)壁會(huì)形成邊緣滯流層也就是阻熱層。由于有滯流層的存在， 實(shí)際換熱效果就會(huì)低于設(shè)計(jì)效果。流體在邊緣滯留層長(zhǎng)時(shí)間低速，形成了軟 垢和硬垢的堆積，形成結(jié)垢的層面，大大降低了原來的換熱系數(shù)，最終造成整體 換熱效果下降。結(jié)論是，滯留層的存在使污垢堆積，降低了管內(nèi)清潔度，造成換 熱

8、系數(shù)下降，換熱效果變差。解決這個(gè)問題的方法是改變流體的狀態(tài)。四、無垢高效紊流管滯留層的存在是換熱效果下降的主要原因，但是光管內(nèi)的流體是無法消除滯留層的，要使這種現(xiàn)象不存在，只能改變流體的狀態(tài)，使層流變成紊流狀態(tài)， 有效的方法是改變管型的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的換熱管研究和生產(chǎn)領(lǐng)域中也有一些高效換 熱管。如波紋管、高齒管、單向槽管、雙向槽管、螺旋扁管等，但這些管形內(nèi)流 體很難達(dá)到自然紊流。雖然這些管型在的換熱效果方面比光管有了很大提高，但是經(jīng)過實(shí)際的使用，缺點(diǎn)也很明顯，如流體阻力大大增加、對(duì)水源和水質(zhì)的要求過高、溝槽部位極易結(jié)垢且難處理等，造成換熱效果急劇下降，嚴(yán)重的會(huì)造成溝 槽部位斷裂，給換熱設(shè)備帶來安全

9、隱患。這些缺點(diǎn)都是刻意地追求換熱效果而忽 視了流體 傳熱的固有特征帶來的。以上各管型所產(chǎn)生的缺點(diǎn)進(jìn)一步說這 些管內(nèi)的流體很難實(shí)現(xiàn)自然紊流狀態(tài)，而是湍流狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流體紊流就必須讓管型符合流體時(shí)的軌跡，讓流體自然形成紊流狀態(tài)而且是低流阻的。為了達(dá)到這個(gè)特征，就必須做到流體所經(jīng)過的每一點(diǎn)都要符合流體紊流特征， 根據(jù)不同的流速下圓弧光滑的縱向旋轉(zhuǎn)梯場(chǎng)來匹配合理的流速。這樣的管型內(nèi)所 經(jīng)過的流體就會(huì)達(dá)到合理紊流狀態(tài)（見圖 3），達(dá)到低流阻、高效換熱、不結(jié)垢， 且安全高效平穩(wěn)運(yùn)行。4圖 3 無垢高效紊流換熱管圖 4 各種管型流速與壓差（阻力）關(guān)系圖各類換熱管型流體阻力見圖 4.從圖 4 中可以看出管

10、型的改變隨著流速 的變化造成流體阻力的變化是相當(dāng)明顯的。合理的流阻應(yīng)盡量接近于相同管口直 徑的光管流阻為基準(zhǔn)。過高的流阻是和流體紊流狀態(tài)不相吻合的。圖 4 中由于多 種管型在流速變化的同時(shí)，流阻都大大高于光管，只能說明這些管內(nèi)的流體是湍 流狀態(tài)，而不是紊流狀態(tài)。本公司早期的“螺旋紐帶”技術(shù)（專利號(hào)：ZL01228783.0），從管內(nèi)流體的角度來說是完全符合紊流狀態(tài)的，但對(duì)水質(zhì)、流速、溫度的要求過高，使用 單位往往無法做到這幾點(diǎn)而影響該技術(shù)的正常使用，達(dá)不到預(yù)期的效果。公司研發(fā)的無垢高效紊流管（國(guó)家發(fā)明專利：ZL03114761.5），經(jīng)歷了從研發(fā)、設(shè)計(jì)、無數(shù)次的試驗(yàn)、測(cè)試和優(yōu)化，再到相關(guān)企業(yè)經(jīng)

11、過了長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，已經(jīng)完全達(dá)到了無垢高效紊流的效果。5五、企業(yè)應(yīng)用案例1. 案例一：金山雅寶精細(xì)化工紊流管式冷凝器應(yīng)用是一家規(guī)模較大的中外合資化工企業(yè)，企金山雅寶精細(xì)化工業(yè)位于金山。2003 年，采用我公司無垢高效紊流換熱管技術(shù)對(duì)三臺(tái)相同生產(chǎn)工藝的二甲苯中和冷凝器的 A、B、C 中的 B 冷凝器進(jìn)行應(yīng)用，經(jīng)過幾年時(shí)間的使用，得出的結(jié)論是“管內(nèi)雷諾系數(shù)增加了 0.5 倍，換熱效率提高了 45%，流體阻力小，管內(nèi)不結(jié)垢，運(yùn)行平穩(wěn)，大大延長(zhǎng)了使用”，確保了設(shè)備安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，“增效，節(jié)能”效果明顯。具體實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見表 1、表 2（特別說明此三臺(tái)同類設(shè)備的設(shè)計(jì)物料流量是157.78kg/h）。

12、表1 換熱器 E621A/C 標(biāo)定數(shù)據(jù)（未采用該技術(shù)隨機(jī)選擇）表2 換熱器E621B標(biāo)定數(shù)據(jù)（采用該技術(shù)選擇）6時(shí)間2004.6.252004.6.292005.10.102005.10.12工作參數(shù)二甲苯溫度/119.5120.1119.7119.8二甲苯出口溫度/38.838.639.439.5二甲苯壓力MPa0.030.030.030.03二甲苯出口壓力MPa0.0110.0110.0110.011二甲苯流量kg/h198.5186.3179.3153.3CW溫度/32322828CW 出口溫度/38.639.534.334.5時(shí) 間 2004.6.252004.6.292005.10.

13、102005.10.12二甲苯溫度/119.2119.7119.8119.6二甲苯出口溫度/38.73942.542.4二甲苯壓力MPa0.030.030.030.03二甲苯出口壓力MPa0.0120.0120.0150.015二甲苯流量kg/h1545158.3140.1138.2CW溫度/32322828CW 出口溫度/37.537.833.333.5CW 流量T/h75758080從表 1、表 2 參數(shù)中可以看出在物料增加約 21.8%的情況下，換熱效率提高28.5%，節(jié)水率 6.25%，物料出口壓力降低 17.48%。2. 案例二： 富陽胥口南方水泥富陽胥口南方水泥余熱發(fā)電凝汽器紊流管

14、技術(shù)改造2500t/d水泥熟料生產(chǎn)線于2005年5月投產(chǎn)，2010年10月配套建設(shè)的4.5MW余熱電站機(jī)組投入生產(chǎn)。余熱電站配置杭州中能汽輪機(jī)廠N1.25-4.5MW汽輪發(fā)電機(jī)，凝汽器型號(hào)N560，冷卻面積560m2，窯頭鍋爐設(shè)計(jì)廢氣流量14萬m3/h,額定蒸汽流量14.7 t/h，窯尾鍋爐廢氣流量19萬m3/h，額定蒸汽流量18.1 t/h。余熱電站于2014年2月大修期間對(duì)冷凝器換熱管進(jìn)行技改，將原來換熱銅管更換為無垢高效紊流管。通過改造，提高凝汽器真空值平均提高1.77kPa ，蒸汽發(fā)電熱效率較改造前提高了 3.64%，發(fā)電負(fù)荷增加1.90%，汽耗降低3.05%，噸熟料發(fā)電量提高0.42

15、度；無垢高效紊流管內(nèi)不易結(jié)垢，每年減少酸洗1-2次，節(jié)省了酸洗費(fèi)用，根據(jù)實(shí)際觀察，在使用一年后打開冷凝器，管內(nèi)沒有結(jié)垢（圖5）；夏季進(jìn)水溫度較高的情況下，圖 5 使用 1 年后管子的情況（無結(jié)垢）仍能保持較高的真空值，保證整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運(yùn)行。3、案例三：蘭溪熱電生物質(zhì)發(fā)電凝汽器紊流管技術(shù)改造蘭溪熱電是浙江金華地區(qū)創(chuàng)建時(shí)間較早、規(guī)模較大的熱電企業(yè)。擁有三臺(tái)6MW熱電機(jī)組，其中兩臺(tái)背壓一臺(tái)抽凝。由于建廠時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)組設(shè)備系統(tǒng)出力相對(duì)較差，尤其是抽凝機(jī)組凝汽器系統(tǒng)，換熱管結(jié)垢嚴(yán)重，換熱效果差。在2014年1月將其中的抽凝機(jī)組凝汽器的半側(cè)用紊流管更換銅管進(jìn)行運(yùn)試。在更換完畢后經(jīng)過一年多時(shí)間的運(yùn)

16、行，在相對(duì)應(yīng)的工況下真空提高1.5KPa2KPa，排汽溫度降低3度以上，端差降低46度。在2014年12月的18日和24日，7CW 流量T/h75757070在浙大、教授和使用企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)指揮下進(jìn)行了同工況半側(cè)運(yùn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)紊流管技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際效果，并進(jìn)行實(shí)時(shí)（見表1）。六、效益估算工業(yè)和能源領(lǐng)域中換熱系統(tǒng)在電力、石油化工及各種行業(yè)都有大量使用。為了更直觀的了解該產(chǎn)品技術(shù)能給使用帶來的經(jīng)濟(jì)效益，選擇了有電力行業(yè)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)的電廠真空凝汽器作為效益分析的對(duì)象作效益分析。在作效益估算前需強(qiáng)調(diào)的是電廠凝汽器采用本公司的“無垢高效紊流換熱管”技術(shù)（棄用膠球和 酸洗工藝），可以在目前工況不改變的基礎(chǔ)上提高的

17、換熱效果。在計(jì)算時(shí)取保守 的效果提高最低值，即：真空提高 1%，端差下降 1 度的情況下所估算的經(jīng)濟(jì)效益。假設(shè)機(jī)組 200MW。真空提高 1%，節(jié)煤 3.50g/kwh（發(fā)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），端差下降1 度，夏天節(jié)煤 2.01g/kW.h，冬天節(jié)煤 0.88g/ kW.h（發(fā)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。以300 天計(jì)算發(fā)電 14.4 億度。按真空的提高和端差的降低所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是節(jié)煤7120 噸/ 年，煤價(jià)按 500 元/噸計(jì)算，可以節(jié)約約 356 萬元。循環(huán)水的使用量比光管減少 10%以上，降低了循環(huán)泵的負(fù)荷，減少了廠自用電的比例，這也是一筆相當(dāng) 可觀的經(jīng)濟(jì)效益。七、應(yīng)用前景當(dāng)前火力發(fā)電、余熱發(fā)電及其石油化工等行業(yè)中，大量將列管式換熱器（圖6）作為主力設(shè)備，相當(dāng)比例的此類設(shè)備都在低效率