探析電廠熱網(wǎng)加熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫明洋 王玉麗 孫敬軒

摘 要：熱網(wǎng)加熱器是用來加熱送往熱網(wǎng)的采暖水，加熱蒸汽來自壓力較高的汽輪機(jī)抽汽或從鍋爐引來的新汽經(jīng)減溫減壓后做為熱源，將熱網(wǎng)水加熱到所需的送水溫度。為了充分發(fā)揮其作用，結(jié)合電廠熱網(wǎng)加熱器，本文概述了熱網(wǎng)加熱器，闡述了熱網(wǎng)加熱器選型，對(duì)電廠熱網(wǎng)加熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討分析。

關(guān)鍵詞：熱網(wǎng)加熱器；選型；電廠；優(yōu)化設(shè)計(jì)；

一、熱網(wǎng)加熱器的概述

熱網(wǎng)加熱器是熱網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是熱電廠的主要設(shè)備之一，其主要功能是利用汽輪機(jī)的抽汽或從鍋爐引來的蒸汽（加熱介質(zhì)）來加熱熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的循環(huán)水以滿足供熱用戶要求，從而實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。熱網(wǎng)加熱器分基本熱網(wǎng)加熱器和高峰熱網(wǎng)加熱器兩種，基本熱網(wǎng)加熱器是在整個(gè)供熱期間一直連續(xù)工作，承擔(dān)基本熱負(fù)荷即滿足絕大部分供熱期間用戶對(duì)熱水溫度的要求。在冬季最冷期間，串聯(lián)在基本熱網(wǎng)加熱器之后，提高供熱的熱水溫度以滿足用戶對(duì)更高水溫要求的熱網(wǎng)加熱器稱為高峰熱網(wǎng)加熱器。

二、熱網(wǎng)加熱器選型的分析

熱網(wǎng)加熱器被廣泛地應(yīng)用于煉油、化工、輕工、制藥及城市的集中供暖等領(lǐng)域，是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備。特別是管殼式加熱器約占全部加熱器的70%左右，它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固容易清洗，易損件易于更換，維修方便；不易堵、漏，密封周長(zhǎng)短；材料的選擇范圍較廣，滿足幾乎所有的場(chǎng)合，包括特別低和特別高壓力、溫度，大的溫差，蒸發(fā)與凝結(jié)以及嚴(yán)重污染和具有腐蝕性流體的情況，這種加熱器不但使用方便，而且經(jīng)久耐用，互換性強(qiáng)。與其它品種加熱器比較，管殼式加熱器的最大缺點(diǎn)是傳熱效率低。

近年來出現(xiàn)的波紋管加熱器繼承了管殼式加熱器的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)，因而具有很強(qiáng)的實(shí)用性和更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。波節(jié)管管殼式加熱器采用的換熱管為波節(jié)管，是強(qiáng)化傳熱換熱管。波節(jié)管不僅壁薄，而且形狀獨(dú)特。一般波節(jié)管壁厚為0.5～1.2mm，形狀為直管段與弧形段交替。流體在波節(jié)管內(nèi)外流動(dòng)中，由于斷面周期性變化所引起的壓力與流速的周期性變化，使流體邊界層發(fā)生分離、破壞了邊界層熱阻，使管內(nèi)外的流體與管壁的換熱系數(shù)可提高2～5倍，同時(shí)從根本上破壞了在管壁上有結(jié)垢的可能。另外，波節(jié)管為直管段與弧形段交替的形狀，使流體有前噴射與后節(jié)流的雙重作用。噴射使弧形段內(nèi)流體向管壁產(chǎn)生橫向沖刷破壞了邊界層，節(jié)流使直管段內(nèi)流體產(chǎn)生整流，流體的流向、密度、壓力趨于一致，且不造成能量損失。波節(jié)管即不同于其它換熱管，由于管內(nèi)外的流體與管壁的換熱系數(shù)大幅度提高，使得用波節(jié)管作換熱管的加熱器綜合傳熱系數(shù)得以大大提高，保證了加熱器的使用性能。

三、電廠熱網(wǎng)加熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

1、電廠熱網(wǎng)加熱器結(jié)構(gòu)選型。電廠熱網(wǎng)加熱器主要利用汽輪機(jī)或鍋爐引來的蒸汽（加熱介質(zhì)）來加熱熱水供應(yīng)系統(tǒng)里的循環(huán)水，作為熱網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上一般采用管殼式加熱器。而列管式加熱器中以U形管加熱器和固定管板式加熱器較為普遍。對(duì)比U形管加熱器，U形換熱管的布管相比并不均勻，抗震性能不好，壞管率相比直管要高。而固定管板式加熱器，管程清洗方便，換熱管損壞時(shí)更方便堵管或更換。所以新型熱網(wǎng)加熱器的結(jié)構(gòu)選擇在固定管板式加熱器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2、電廠熱網(wǎng)加熱器的水室設(shè)計(jì)分析。結(jié)合電廠熱網(wǎng)加熱器的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，選用橢圓形封頭水室，封頭頂部設(shè)置HG/T521521標(biāo)準(zhǔn)人孔，同時(shí)在水室內(nèi)設(shè)置分程隔板，分程隔板上設(shè)有把手，以便于設(shè)備的清洗與維護(hù)[1]，為了保證水室的使用壽命，在分程隔板均設(shè)有加強(qiáng)筋，避免在循環(huán)水長(zhǎng)期的沖蝕下，分程隔板發(fā)生變形，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。分程隔板的位置取決于加熱器的實(shí)際布管情況。

3、電廠熱網(wǎng)加熱器的管束設(shè)計(jì)分析。主要表現(xiàn)為：（1）合理選擇換熱管。換熱管通常選取不銹鋼材質(zhì)和碳鋼材質(zhì)，對(duì)比在相同的換熱面積下進(jìn)行設(shè)計(jì)，。根據(jù)國(guó)內(nèi)大型熱網(wǎng)加熱器的運(yùn)行使用情況來看，不銹鋼換熱管的運(yùn)行情況最好。綜合考慮設(shè)備的運(yùn)輸，運(yùn)行維護(hù)成本，以及使用壽命等因素，不銹鋼焊接管為優(yōu)先選擇。（2）加熱器布管。在蒸汽入口側(cè)，考慮蒸汽入口側(cè)流量較大，同時(shí)按照GB/150.3-2011不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑要求，選擇在殼程筒體上開有兩個(gè)蒸汽抽氣孔。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了筒體的結(jié)構(gòu)，增加了蒸汽的流通面積，而且便于設(shè)備的清洗與維護(hù)。為了減少蒸汽的阻力，在換熱管與殼程之間預(yù)留了合理的流通面積，以增強(qiáng)熱網(wǎng)加熱器的換熱效率。在蒸汽入口處的換熱管位置設(shè)有防沖板，以保護(hù)換熱管。為增強(qiáng)加熱器的換熱效率，在布管方面與傳統(tǒng)的固定管板式加熱器有所區(qū)別。由于在結(jié)構(gòu)和性能上對(duì)比，熱網(wǎng)加熱器與冷凝器較為相似。所以布管上采取三段式布管。將管束設(shè)計(jì)為過熱段，冷凝段和疏冷段。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是使得殼程內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)更為穩(wěn)定，提高加熱器的傳熱效率。設(shè)置疏冷段區(qū)間主要是防止疏水排空造成危險(xiǎn)。換熱管布管區(qū)自上而下分別為過熱段區(qū)間，凝結(jié)段區(qū)間和疏冷段區(qū)間。設(shè)計(jì)時(shí)在殼程內(nèi)采用隔板件15～17分隔出用于監(jiān)測(cè)疏冷段工況的區(qū)間，對(duì)熱網(wǎng)加熱器實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證加熱器的使用安全。

4、電廠熱網(wǎng)加熱器的殼體設(shè)計(jì)分析。固定管板式加熱器的殼體的熱膨脹補(bǔ)償性能不及U形管式加熱器，需要在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)。膨脹節(jié)按結(jié)構(gòu)上主要分為軸向型，平面鉸鏈型，萬向鉸鏈型，曲管壓力平衡型，和拉桿型幾種型式。從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行選擇，單式軸向U型膨脹節(jié)滿足設(shè)計(jì)要求。但是對(duì)于熱網(wǎng)加熱器，在殼體上如果設(shè)置單式軸向型波紋膨脹節(jié)，在補(bǔ)償處容易造成沉積物的積累，而且不便于殼程的清洗，影響其實(shí)際理論的熱膨脹補(bǔ)償效果。而且在制造階段進(jìn)行水壓試驗(yàn)后，在U形處容易造成試壓水排放不凈，影響設(shè)備運(yùn)行后膨脹節(jié)的使用壽命。所以在膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)過程中采用了半U(xiǎn)型不銹鋼膨脹節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

結(jié)束語

綜上所述，供熱電廠熱網(wǎng)首站系統(tǒng)最主要的設(shè)備就是熱網(wǎng)加熱器，加熱器選型及其設(shè)計(jì)直接關(guān)系到供熱系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性，同時(shí)也關(guān)系到供熱的質(zhì)量、工程造價(jià)，因此對(duì)電廠熱網(wǎng)加熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析具有重要意義。

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