談翅片管換熱器在電廠節(jié)水改造中的應(yīng)用

        摘要：本文針對電廠汽機及給水泵的冷換設(shè)備陳舊，原設(shè)計未充分考慮到冷換管壁結(jié)垢后影響冷換效果的因素，造成冷卻效果差，在夏季被迫摻用或直接用工業(yè)水(地下水)進行冷卻的情況，認(rèn)為利用新型先進翅片管換熱器進行改造，增加換熱面積，提高換熱效果，能達到優(yōu)化全廠水平衡和節(jié)水的目的。 
    關(guān)鍵詞：冷換設(shè)備 翅片管換熱器 換熱效果 節(jié)水改造 　　 
　　我廠由于建廠時間長，熱電廠汽機冷油及給水泵的冷換設(shè)備因為夏天循環(huán)水溫度高(37℃)，而原設(shè)計由于未充分考慮到冷換管壁結(jié)垢后影響冷換效果的因素，在夏季被迫摻用或直接用工業(yè)水(地下水)進行冷卻，達到維持設(shè)備運行參數(shù)的目的，由此，約300噸/小時工業(yè)水流入冷卻水塔，造成水塔水位長期處于高位，導(dǎo)致水塔長時間不能補入軟化水，水質(zhì)變差，不得已加大循環(huán)水排污，從而造成循環(huán)水濃縮倍率偏低，最終導(dǎo)致工業(yè)水耗量增加和凝汽器換熱管束因腐蝕發(fā)生泄漏的可能性增大，為此，必須對汽機及輔機的冷換設(shè)備進行必要的技術(shù)改造。 
　　受條件限制，改造時需要把握兩個原則，一是不影響正常生產(chǎn)，二是減少動改工作量，減少投資。為此，經(jīng)過廣泛調(diào)研和論證，利用比較成熟和先進和翅片管換熱技術(shù)，將原冷換設(shè)備中的光管改造成雙金屬翅片管管束，增加了有效的冷卻面積，從而提高冷油器的換熱效果。  
　　一、翅片管換熱器介紹  
　　用普通的圓管(光管)組成的熱交換器，在很多情況下，管外流體和管內(nèi)流體對管壁的換熱系數(shù)是不一樣的。所謂換熱系數(shù)，是指單位換熱面積，單位溫差(流體與壁面之間的溫差)時的換熱量，它代表流體和壁面之間的換熱能力的大小。 
　　例如：水在壁面上凝結(jié)時的換熱系數(shù)為： 10000—20000 w/(m2.℃) 
　　水在壁面上沸騰時的換熱系數(shù)為： 5000—10000 w/(m2.℃) 
　　水流經(jīng)壁面時的換熱系數(shù)大約為： 2000—10000 w/(m2.℃) 
　　空氣或煙氣流經(jīng)壁面時的換熱系數(shù)為： 20-80 w/(m2.℃) 
　　空氣自然對流時的換熱系數(shù)只有： 5—10(m2.℃) 
　　由此可見，流體與壁面之間的換熱能力的大小相差是很懸殊的。因此換熱器的換熱效果取決于換熱系數(shù)低的一側(cè)，即為換熱瓶頸。 
　　要提高換熱效果最有效的方法之一就是在低側(cè)采用擴展表面，即做成翅片管。假定翅片管的實際傳熱面積為原來的光管外表面積的若干倍，雖然換熱系數(shù)仍然很低，但總體的傳熱效果將大大增加，從而使整個傳熱過程增強，在總傳熱量一定的情況下，也可以使設(shè)備的金屬耗量減小，經(jīng)濟性提高。  
　　二、我廠采用的濟南達能公司生產(chǎn)的“復(fù)合雙金屬翅片管冷卻器”系山東大學(xué)和俄羅斯中央柴油機研究院聯(lián)合開發(fā)專利技術(shù)。 　 
　　1.翅片管冷卻器單位體積的換熱面積一般要比光管冷卻器大出5～10倍。 
　　換熱管采用銅鋁復(fù)合雙金屬翅片管，即銅管與鋁管復(fù)合后，在專用機床上軋出鋁翅片，銅鋁結(jié)合為一體，其間無熱阻。 
　　2.由于翅片的特殊結(jié)構(gòu)和翅片管合理的布置，使流體在通道中形成強烈的湍流，并使熱邊界層不斷的破壞，從而使其換熱效率比傳統(tǒng)的光管得到很大的提高，并且具有自清潔作用，翅片污垢不易積存。 
　　3.保證換熱效果的前提下減少換熱管子的數(shù)量，減少金屬的消耗率，這樣可以使得管板應(yīng)力分布均勻，不易泄漏。 
　　采用雙層金屬材料，而基(襯)管由一層鋁壁保護，抗腐蝕，對溫度突變及振動有良好的抗力，不易泄漏。 
　　4.鋁翅片很薄，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，既是主要的傳熱表面，又是兩隔板的支撐，故強度高。 
　　5.采用防止電化學(xué)腐蝕的特殊措施，保護冷卻器管板。 
　  三、改造實施情況(以給水泵冷油器為例) 
　　1.改造要求 
　　由于熱電廠原汽機及輔機的冷換設(shè)備所占空間的限定，且考慮到在不影響生產(chǎn)的前提下，盡量縮短改造時間及減少改造的工作量，要求主冷油器的改造在不停機情況下進行，這就要求主冷油器的接口定位尺寸與外形尺寸不能改變，給水泵冷油器也存在類似的要求，因此改造后的冷油器必須考慮在限定的空間內(nèi)布置更大換熱面積的換熱元件，并且要采用其它措施以強化傳熱。 
　　給水泵冷油器采用俄羅斯的銅鋁“復(fù)合雙金屬翅片管”技術(shù)，用銅鋁復(fù)合雙金屬冷軋翅片管作為傳熱元件，代替原來的光管。根據(jù)現(xiàn)場的溫度、流量參數(shù)要求，確定合適的流體空間，布置足夠的換熱面積；并根據(jù)透平油的邊界層特點設(shè)計翅片高度與節(jié)距，加強油流體的湍流，增大傳熱系數(shù)，增加換熱量，改善其換熱效果。 
　　2.計算、設(shè)計技術(shù)要求： 
　　2.1技術(shù)指標(biāo) 
　　(1)冷油器進口最高油溫：≤60℃ 
　　(2)冷油器出口油溫：35℃～45℃ 
　　(3)冷油器進口水溫：≤37℃ 
　　(4)冷油器管承壓力：0.2Mpa 
　　(5)冷油器殼承壓力：0.5Mpa 
　　(6)循環(huán)水水質(zhì)情況：電導(dǎo)率：3348US/平方厘米 
　　懸浮物含量：94毫克/升 
　　2.2熱力計算數(shù)據(jù)表：略 
　　2.3設(shè)計要求 
　　經(jīng)綜合分析，采用俄羅斯的銅鋁“復(fù)合雙金屬翅片管”技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場的溫度、流量參數(shù)要求，計算分析確定合適的流體空間，布置足夠的換熱面積；并根據(jù)透平油的邊界層特點設(shè)計翅片高度與節(jié)距，加強油流體的湍流，增大傳熱系數(shù)，增加換熱量，改善其換熱效果。 
　　(1)換熱管采用銅鋁復(fù)合雙金屬翅片管，即銅管與鋁管復(fù)合后，在專用機床上軋出鋁翅片，銅鋁結(jié)合為一體，其間無熱阻。 
　　(2)鋁翅片外徑φ24，翅片節(jié)距2.3mm。根據(jù)透平油的邊界層厚度，對翅片高度和節(jié)距進行了優(yōu)化設(shè)計，最大可能地減少了油流體邊界層的影響，強化了油側(cè)的傳熱，提高了整體傳熱系數(shù)。 
　　(3)基管尺寸為φ16×1，材質(zhì)為加砷錫黃銅，錫的作用在于抑制黃銅脫鋅，提高黃銅的耐蝕性；加少量的砷是為了防止應(yīng)力腐蝕。 
　　(4)設(shè)計該冷油器殼體直徑為φ377，換熱管有效長度為1.44m，換熱面積為15m2。 
　　(5)在保持原殼體不變的情況下，有效地增大冷油器的換熱面積。 
　　(6)翅片的特殊結(jié)構(gòu)和翅片管合理的布置，使流體在通道中形成強烈的湍流， 
　　并使熱邊界層不斷的破壞，從而使其換熱效率比傳統(tǒng)的銅管得到很大的提高。 
　　(7)保證換熱效果的前提下排列換熱管的數(shù)量要少，這樣可以使得管板應(yīng)力分布均勻，不易泄漏。 
　　(8)用雙層金屬材料，基(襯)管由一層鋁壁保護，抗腐蝕，對溫度突變及振動有良好的抗力，不易泄漏。 
　　(9)鋁翅片很薄，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，強度高。 
　　(10)將殼體直徑增加至φ590，高度不變，接口尺寸不變。此方案可布管306根，冷油器的換熱面積增至68 m2，比原來的40 m2增加了67.5 %；水側(cè)通流面積為0.0236 m2，水速1.2m/s 。這樣不僅換熱面積得到有效增加，水速也從原0.9m/s(偏低)提至經(jīng)濟安全水速1.2m/s，使水側(cè)傳熱系數(shù)有效提高，且由于高度與原殼體保持不變，接口尺寸不變，并不增加安裝工作量，還可以較容易地將原管板易泄漏的密封方式改為結(jié)構(gòu)簡單且更不易泄漏的新密封方式。  
　　四、改造后的效果 
　　我們對液力耦合器冷油器電機空冷器等同時進行了相應(yīng)改造。技術(shù)改造完成后，在夏季用循環(huán)水(37℃)冷卻，仍可保證冷換設(shè)備工質(zhì)側(cè)油溫、風(fēng)溫在規(guī)定范圍內(nèi)，并有較大調(diào)整余量，消除了重大安全生產(chǎn)隱患。同時，可使一期循環(huán)水冷卻塔保持正常水位，節(jié)約新鮮工業(yè)水300t/h，并可向水塔補入足夠軟化水，提高循環(huán)水濃縮倍率，減少汽輪機凝汽器腐蝕，可以滿足經(jīng)濟與安全的。