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(guó)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(duì)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(huì)引起燃?xì)廨啓C(jī)燃料噴嘴的損壞，用于DLN燃燒系統(tǒng)時(shí)會(huì)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(duì)燃?xì)膺^(guò)熱度都有一定的要求。過(guò)熱度是氣體燃料溫度及其各自的露點(diǎn)之間的溫差，規(guī)定過(guò)熱度可以補(bǔ)償由于氣體燃料通過(guò)控制閥時(shí)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(jiān)固、易于制造的換熱設(shè)備，被廣泛用來(lái)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(guó)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(jià)低、安全性較差，而雙管式在保證安全性的同時(shí)，也存在造價(jià)過(guò)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(jì)院關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要對(duì)這兩種換熱器進(jìn)行比較分析。

1 管殼式換熱器簡(jiǎn)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(lèi)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(dòng)(即殼程)，流體Ⅱ在管內(nèi)流動(dòng)(即管程)，兩種流體通過(guò)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(jiǎn)單，易于制造，且對(duì)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(lái)，由于電廠方面對(duì)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(lái)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(huì)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(duì)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(chǎng)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(diǎn)，但其制造工藝更加復(fù)雜，成本高，而且制造過(guò)程中脹接與焊接的過(guò)程會(huì)相互影響，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。因此，工藝簡(jiǎn)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(zhǎng)期以來(lái)，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(guó)內(nèi)某電廠單管式換熱器的一次破管事故，再加上近年來(lái)國(guó)外廠家的市場(chǎng)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。見(jiàn)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(jì)在每一端都有兩個(gè)管板，兩層管路各固定在不同的管板上，當(dāng)兩管脹接時(shí)，兩層管壁之間會(huì)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(gè)例行檢修期的到來(lái)。

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(guó)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(shí)，也導(dǎo)致投資成本急劇上升。根據(jù)對(duì)近兩年電廠項(xiàng)目換熱器的報(bào)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同樣一個(gè)項(xiàng)目的換熱，雙管式換熱器的投資是國(guó)產(chǎn)單管換熱器的3~4倍。以2014年華電集團(tuán)某電廠項(xiàng)目為例，其招標(biāo)方案中，要求采用兩個(gè)換熱器分別進(jìn)行報(bào)價(jià)，表1為兩種換熱器的投資價(jià)格表。

表1 單、雙管式換熱器投資成本對(duì)比表

通過(guò)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(wàn)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(jì)算書(shū)進(jìn)行比較計(jì)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(xiàng)目采用的熱源為過(guò)熱蒸汽，兩種方案的運(yùn)行成本分析見(jiàn)表2。

表2 單、雙管式換熱器運(yùn)行成本對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，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(wàn)元。

燃?xì)怆姀S調(diào)壓站的整體投資，一般在500萬(wàn)元到1 500萬(wàn)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(guò)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(yǔ)

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(jì)人員的一道難題。本文通過(guò)對(duì)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(jì)人員提供一定的參考意見(jiàn)。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)加工工藝水平的提升，以及進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)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.

shell-and-tube heat exchanger, double-tube, safety, economics