熱網(wǎng)加熱器設(shè)計(jì)研究

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

熱網(wǎng)加熱器是利用汽輪機(jī)的抽汽、減溫減壓的鍋爐蒸汽或其它熱源來加熱采暖系統(tǒng)中的網(wǎng)路回水和工業(yè)生產(chǎn)等用熱水網(wǎng)路回水的加熱設(shè)備[1-2]。按其在熱網(wǎng)中的任務(wù)可分為基本熱網(wǎng)加熱器和尖峰熱網(wǎng)加熱器?；緹峋W(wǎng)加熱器承擔(dān)熱網(wǎng)的基本熱負(fù)荷，汽、水側(cè)參數(shù)均較低。尖峰熱網(wǎng)加熱器承擔(dān)熱網(wǎng)的尖峰熱負(fù)荷，參數(shù)較高[3-4]。

1 工作原理

根據(jù)熱力學(xué)第二定律：熱量必然自發(fā)地從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體。熱網(wǎng)加熱器為表面示加熱器，以管子作傳熱面，抽汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器殼內(nèi)，在管子外面流過，網(wǎng)路給水在熱網(wǎng)水泵的作用下進(jìn)入水室流進(jìn)管系中的換熱管內(nèi)，吸收在換熱管外逆向流動的加熱蒸汽凝結(jié)放熱的熱量，使網(wǎng)路給水達(dá)到供熱所需的溫度。

2 熱網(wǎng)加熱器結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

熱網(wǎng)加熱器從外形上分，可分為立式和臥式。按換熱器的結(jié)構(gòu)形式分可分為固定管板式、U型管式、填料函式。

2.1 立式熱網(wǎng)加熱器

換熱面積小于500 m2以下的加熱器，多采用立式結(jié)構(gòu)。推薦采用固定管板式換熱器。采用固定管板式換熱器，維修簡便。在運(yùn)行中，換熱管因振動而破損泄露，可以更換換熱管，不會減少換熱面積。如果熱網(wǎng)給水水質(zhì)較差，易產(chǎn)生污垢，直管較易清洗，不會降低傳熱系數(shù)。主要由上水室、管系、下水室和懸掛支座組成。上水室一般由碳鋼板制成的筒身、封頭、進(jìn)出水管、分流程隔板和設(shè)備法蘭組成。設(shè)備法蘭用于與管系的連接。管系由上、下管板、隔板、管系外殼、進(jìn)汽管和與上下管板連接的換熱管組成。為了補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行時(shí)，換熱管和筒體因壁溫、材料、膨脹系數(shù)不同而引起的膨脹差，管系外殼采用波形膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)。下水室由封頭、分流程隔板和設(shè)備法蘭組成。設(shè)備法蘭用于和管系的連接，如圖1所示。

圖1 立式直管熱網(wǎng)加熱器外形圖

管板材料采用P355GH，筒體材料采用Q245R、Q345R。膨脹節(jié)采用不銹鋼。換熱管多采用黃銅管：牌號有H68A、HSn70-1A、H85A。由于H85A有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，現(xiàn)已得到越來越多的采用。有的電廠也有采用不銹鋼管和碳鋼管的。上、下水室、封頭、筒身材料采用與管系筒體相同的材料，設(shè)備法蘭采用16Mn、Q345R或P355GH。

2.2 臥式熱網(wǎng)加熱器

換熱面積在1 000 m2以上時(shí)多采用臥式熱網(wǎng)加熱器。臥式熱網(wǎng)加熱器的結(jié)構(gòu)形式主要有固定管板式、U型管式。較少采用填料函式或浮頭式。

固定管板式熱網(wǎng)加熱器主要由左水室、管系、右水室和疏水罐組成。左水室由筒身、封頭、分流程隔板、穩(wěn)流板、進(jìn)出水管組成。為了方便檢修，在水室上焊有DN600的人孔。管系由左、右管板、隔板、管板連接的換熱管、管系外殼和支座等組成。

采用固定管板換熱器的優(yōu)點(diǎn)：便于換管而不減少換熱面積; 易于清洗管子內(nèi)污垢而不降低傳熱系數(shù)。

為了補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行時(shí)，換熱管和筒體因壁溫、材料、膨脹系數(shù)不同而引起的膨脹差，管系外殼采用波形膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)。由于換熱管數(shù)量較多，為了提高傳熱效率，可在管系內(nèi)設(shè)置多條蒸汽通道。右水室由大法蘭和封頭裝焊而成，為了便于檢修，在右水室上裝有人孔。為防止因溫差影響而引起管殼變形，熱網(wǎng)加熱器殼體下部沒有疏水罐，如圖2所示。

圖2 直管熱網(wǎng)加熱器

管板材料為20MnMo，換熱管材料一般為不銹鋼。根據(jù)熱網(wǎng)給水的氯離子含量不同采用低碳不銹鋼或超低碳不銹鋼。也有采用碳鋼管，但很少采用黃銅管的。筒體、封頭材料為Q345R或Q245R。法蘭材料為Q345R、P355GH。

U型管式熱網(wǎng)加熱器主要由水室、管子、疏水罐和支座等組成。水室由筒身、封頭、分流程隔板、穩(wěn)流板、進(jìn)出水管等組成。為了方便檢測，在水室上裝焊有DN600的人孔。管系由管板、隔板、與管板連接的U型換熱管及管系外殼等組成。

采用U型管式的優(yōu)點(diǎn)：減少一塊管板，降低設(shè)備的重量和造價(jià)；減少一塊管板，即減少一半的管子和管板前端焊接工作量同時(shí)也降低了泄漏點(diǎn)。

為了補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由于換熱管和筒體因壁溫及材料線膨脹系數(shù)不同而引起的膨脹差，管系外殼還可采用波型膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)。如加熱器較長，為使加熱器內(nèi)的蒸汽分配更均勻，并縮小開孔直徑以降低應(yīng)力集中，可考慮兩個(gè)進(jìn)汽口。換熱管材料采用不銹鋼，增加耐腐蝕性。為防止因溫度影響而引起管殼變形，熱網(wǎng)加熱器下部設(shè)有疏水罐，如圖3所示。

圖3 U管熱網(wǎng)加熱器

管板材料為20MnMo。換熱管材料一般為不銹鋼。筒體、封頭材料為Q245R或Q345R。法蘭材料為Q345R、P355GH。

3 熱網(wǎng)加熱器性能及主要技術(shù)參數(shù)

在額定工況下，熱網(wǎng)加熱器的終端溫度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的終端溫度一般為：汽—水熱網(wǎng)加熱器(當(dāng)沒有過熱蒸汽冷卻段時(shí))，不小于5 ℃。水—水熱網(wǎng)加熱器，不小于10 ℃。當(dāng)系統(tǒng)另有要求時(shí)，設(shè)計(jì)終端溫度應(yīng)滿足系統(tǒng)的要求。

在額定工況下，被加熱水的出口溫度偏差不小于設(shè)計(jì)出口溫度的10%，且不大于10 ℃。

以某熱力發(fā)電廠JR-3300為例，其主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

4 設(shè)計(jì)計(jì)算步驟及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 計(jì)算傳熱量及逆流對數(shù)平均溫度差。估計(jì)總傳熱系數(shù)，計(jì)算傳熱面積

傳熱量是加熱器被加熱的介質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)所吸收的熱量，也是加熱器介質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)所放出的熱量。

Q=ηG(h1-h2)。

式中：η為加熱器的熱效率，一般η=0.98；G為加熱介質(zhì)的流量，kg/h；h1、h2為加熱介質(zhì)的入、出口熱焓kJ/kg。

對數(shù)平均溫差：

式中：t1、t2為兩端溫差，溫差大的為t1，溫差小的為t2。

總傳熱系數(shù)K大致范圍[W/(m2·℃)]

表2

傳熱面積A(m2)可按下式確定：

4.2 選擇適當(dāng)型號的熱網(wǎng)加熱器，選擇流體的流速以確定管程數(shù)和折流板間距

在額定工況及被加熱水平均溫度(進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值)下，通過換熱管內(nèi)被加熱水的設(shè)計(jì)平均流速，不應(yīng)超過下表規(guī)定(m/s)

表3

根據(jù)選定的管內(nèi)流速、管程數(shù)、接管規(guī)格，在給定的給水流量下，可按下式計(jì)算管子數(shù)量n：

式中：Dn管子內(nèi)徑，mm；Qm通過管子的介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；v介質(zhì)的比容，m3/kg；c為管內(nèi)介質(zhì)的允許流速，m/s。

求的管子數(shù)量后，管子長度L可按下式計(jì)算：

式中：A為換熱面積，mm2；Do為管子外徑，mm。

在計(jì)算管子數(shù)量和管子長度時(shí)，首先要選定管內(nèi)流速，流體的流速直接影響對流傳熱系數(shù)，而且與污垢熱阻有關(guān)，因而影響總的傳熱系數(shù)。特別對于含有泥沙等易沉積顆粒的給水，流速過低可能導(dǎo)致管路堵塞，影響設(shè)備的正常使用，所以選定流速特別重要，在選定管內(nèi)流速時(shí)需要綜合考慮各方面因素，選取合適的管內(nèi)流速。

4.3 核算總傳熱系數(shù)

分別計(jì)算流經(jīng)管程和殼程中流體的對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，求出總傳熱系數(shù)，并與估算時(shí)所選用的總傳熱系數(shù)進(jìn)行比較。如果兩者相差較多，則應(yīng)重新估算傳熱面積和和選定合適型號的熱網(wǎng)加熱器，重復(fù)4.2、4.3兩項(xiàng)計(jì)算，直至前后的傳熱系數(shù)數(shù)值相近為止。

式中:δ為管壁厚度;λ為管壁的導(dǎo)熱系數(shù);a1為管外放熱系數(shù)；a2為管內(nèi)放熱系數(shù);R1為管外側(cè)附加污垢熱阻；R2為管內(nèi)側(cè)污垢熱阻；d0為換熱管外徑；di為換熱管內(nèi)徑。

熱網(wǎng)加熱器使用一個(gè)時(shí)期后，傳熱速率會下降很多，這往往是由于傳熱面積有污垢積存的結(jié)果。所以計(jì)算K值時(shí)，污垢熱阻一般不可忽略。污垢層的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)不易估計(jì)，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估定污垢熱阻，作為計(jì)算的依據(jù)。若流體容易結(jié)垢，加熱器使用一段時(shí)間后，污垢熱阻往往會增加到使傳熱速率嚴(yán)重下降。所以具備清洗條件的加熱器要根據(jù)具體工作條件，定期清洗。

熱網(wǎng)加熱器中的被加熱水是經(jīng)過軟化防腐處理的水，在換熱管水垢厚度大于等于0.5 mm時(shí)，熱網(wǎng)在應(yīng)進(jìn)行清洗的條件下，管側(cè)水的污垢熱阻的設(shè)計(jì)值推薦為35.2×10-5m2℃/W，水蒸汽污垢熱阻設(shè)計(jì)值推薦位8.8×10-5m2℃/W。

4.4 計(jì)算傳熱面積

根據(jù)核算的K值，計(jì)算傳熱面積，選用的加熱器的傳熱面積一般比計(jì)算值大10%～15%為益。

4.5 計(jì)算管、殼程阻力損失

按額定工況設(shè)計(jì)時(shí)，熱網(wǎng)加熱器內(nèi)三段均有時(shí)，其殼程總壓力損失不應(yīng)超過0.1 MPa,且任一區(qū)段的壓力損失：對凝結(jié)放熱段不應(yīng)超過0.02 MPa,對對流放熱段不應(yīng)超過0.05 MPa。

管程總壓力損失：汽—水熱網(wǎng)加熱器，一般不應(yīng)超過0.12 MPa;水—水熱網(wǎng)加熱器一般不應(yīng)超過0.029 MPa。

影響壓力降大小的因素很多，與介質(zhì)流速的關(guān)系較大，增加介質(zhì)的流速，可增大傳熱系數(shù)，使加熱器結(jié)構(gòu)緊湊，但增加流速將增大加熱器的壓力降，并使腐蝕和振動破壞加劇等，壓力降得增加又使動力消耗增加。因此加熱器的設(shè)計(jì)過程中壓力降的限制是十分有必要的。

5 主要附件介紹

熱網(wǎng)加熱器設(shè)有安全保護(hù)系統(tǒng)和自動水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。安全保護(hù)系統(tǒng)主要由壓力表、溫度計(jì)、電接點(diǎn)液位信號器、安全閥、危急疏水閥等組成。自動水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由平衡容器、調(diào)節(jié)閥、熱網(wǎng)水泵、差壓變送器等組成。

6 結(jié)束語

熱網(wǎng)加熱器是熱力系統(tǒng)供熱機(jī)組的重要設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性，在保證設(shè)備安全的前提下，應(yīng)該使加熱設(shè)備的傳熱速率盡可能增大，力求較少的傳熱面積或體積較小的設(shè)備來完成同樣的傳熱任務(wù)。合理的介質(zhì)流速、緊湊合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)的選取等是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，應(yīng)該加以重視。

[1] 宋漢武.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊 第四卷 火電站系統(tǒng)與輔機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[3] 譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[4] 中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JB/T 7837-1995 熱網(wǎng)加熱器.