管壳式与板式水水换热器的差异分析

吴秀 张廷晋

摘要：通过闭式循环冷却水系统中水换热器的选型，详细论述了管壳式与板式换热器的结构性能，最后就不同方案的设备投入与运行费用进行了技术经济比较，为水水换热器的选型提供了参考。

关键词：换热器；性能；技术经济比较

中图分类号: TK172文献标识码：A文章编号：

从国内已建发电厂来看，用于闭式循环冷却水系统的水水换热器有两类，一类是管壳热换器，另一类是板式换热器。管壳换热器是常用的换热器形式，在电厂设计中已得到了广泛的应用，而在国内一些进口机组的电厂、燃气蒸汽联合循环电厂和核电站多有采用板式换热器。由于板式换热器紧凑、重量轻、高传热效率，人们对它的兴趣日益增长。现针对管壳式及板式换热器二种型式进行比较，提出了选型参考意见。1 管壳式及板式换热器结构简介1.1管壳式换热器   管壳式换热器是由前水室、管束、筒体、后水室等组成。管束采用可抽式管束，它由前后管板、折流板、拉杆、定距管、换热管组成。拉杆与管板、拆流板采用丝扣连接，换热管与管板采用胀接加密封焊。在壳侧水入口处的管束上设置防冲板，以防止被冷却水直接冲刷换热管。为了减少管束装入或抽出筒体时的摩擦力，在管束上设有滑轨。为了检查清理室中垃圾、泥沙及管子的堵塞等，在前后水室端盖上设有检查孔。为了监视水水换热器的运行情况，在被冷却水侧（除盐水侧）及冷却水侧（海水侧）进出口都设置温度和压力测点，此外还设有排气和放水接口等。1.2板式换热器  板式换热器是由一组波纹形的平行金属板构成的，在板片的4个拐角处都有通道孔，板被夹紧在一个侧面附有连接管的固定板和活动压紧板的框架中，并用夹紧螺栓加以夹紧。这些连接管同板上的通道孔对中，并与热交换的两种液体的外部管路相连，传热板和活动压紧板悬挂在顶部承载梁的下面并由底部横梁使其对准定位。传热板本身是有其有特定形状并被固紧的垫片密封，以防止外部泄漏，并把热交换的两种液体按逆流方式交替地流过另一对传热板之间的通道内。板片上的波纹不但提高流体的湍流程度，并且形成许多接触点，以承受正常的运行压力。流体的流量、物理性质，压降和温度差决定了板片的数目和尺寸。2 换热器设计条件换热器设计应满足电厂从起动到最大出力时各种负荷下的运行需要，并留有一定的裕量，保证换热器在最大负荷、最高进水温度和最大污垢热阻时，在规定的检修周期内，仍能完成给定的冷却任务。以国产引进型300 MW燃煤机组为例，各冷却设备要求冷却水进水温度≯37．5℃，从冷却设备出来被加热过的冷却水最高温度为42．8℃，其基本参数如下：被冷却水：除盐水；设计压力：1.0MPa；流量：1800 m3／h；进出水温度： 42.8／37.5；压降：0～0.06MPa；冷却水：海水（海水与河水交替变化）；设计压力:0.5 MPa;进水温度:33℃;压降:0.05～0.06MPa。3 管壳式及板式换热器的比较根据换热器的设计条件分别作了如下三个方案：方案1：2台100％容量的管壳式换热器；方案2：2台100％容量的板式换热器。方案3：3台50％容量的板式换热器。

3.1 开式循环冷却水（水水换热器冷却水侧）系统设备选择比较

根据管壳式及板式换热器的不同结构形式和冷却水量，需选择不同的电动滤网和开式循环冷却水泵。

3.2 流动传热设计比较管壳式换热器的管子是换热器的基本构件，它为在管内流过一种流体和穿越管外的另一种流体之间提供传热面。根据两侧流体的性质决定管子材料，将具有腐蚀性，水质差的海水放在管内流动，水质较好的除盐水放在管子外壳侧，这样管子只需采用耐海水腐蚀的钛管，同时清洗污垢较为方便，管径从传热流体力学角度考虑，在给定壳体内使用小直径管子，可以得到更大的表面密度，但大多数流体会在管子表面上沉积污垢层，尤其管内冷却水水质较差，泥沙和污物及海生物的存在，都可能会在管壁上形成沉积物，将传热恶化并使定期的清洗工作成为必要，管子清洗限制管径最小为20mm，钛管一般采Φ25mm，对给定的流体，污垢形成主要受管壁温度和流速的影响，为得到合理的维修周期，管内侧水的流速应在2m／s左右（视允许压降的要求）。由于一般冷却水选用海水、河水等，较易引起结垢，对管壳式换热器，应根据水质含沙量情况需设置胶球清洗装置进行定期清洗。板式换热器的冷却水和被冷却水在波纹板的两侧对流，波纹采用人字形波纹，这些传热板的波纹斜交，即在相邻的传热板上具有倾斜角相同而方向不同的波纹。沿流动方向横截面积是恒定的，但是由于流动方向不断变化致使流道形状改变，而引起湍流。一般传热板的波纹深度为3～5 mm，湍流区流速约为0.1～1.0m／s，波纹板很薄，厚度为0.6～1mm，相邻板间要有许多接触点，以承受正常的运行压力，相邻的板有相反方向的人字形沟槽，两种沟槽的交叉点就形成接触点，这样还可消除振动，并且在促进湍流和热交换的同时，消除了由于疲劳裂缝引起的内部泄漏。人字形波纹板湍流度较高，高湍流还能充分发挥清洗作用，可以特别有效的将沉积污垢减至最小，但是波纹板的接触点较多，当液体水质差，含有悬浮的固体颗粒、杂物和水草等时，由于板间隙很窄，所以要尽可能地保证将所有2mm以上颗粒在进入换热器以前，都要过滤掉，假如滤网不能有效地发挥作用，就容易发生堵塞。3.3 传热系数的比较管壳体换热器中，一种流体横向掠过管子通过管壁与管内流动的另一种流体换热，彼此垂直交叉流动，其传热系数一般为1000～3000 W／m2·k。

板式换热器中，冷却水侧与被冷却水侧流动均匀湍流，两种流体逆向流动，由于波纹的作用引起湍流，从而产生高传热率，高阻力压降以及高切应力场，这将导致抑制污垢在传热面上形成。其传热系数一般为3500～5500W／m2·k，由此，可节省换热器的换热面积。

3.4端差比较管壳式换热器传热端差（即冷却水进口温度和被冷却水出口温度差）为5℃左右。板式换热器由于它的结构特点可以经济地做到低至1℃的端差。3.5 安装检修的比较板式换热器具有体积小，重量轻的特点，检修方便，不需设检修起吊设施，故安装占地较少。板式换热器的人工维护包括将整机折开，用喷水枪和刷子清洗板和垫片，检查板片和垫片，如有必要，更换板片和垫片。板式换热器一般每年要清洗1次，并且无论是否实际需要都要做。当应用河水、海水等水质较差的冷却水时，由于泥沙和污物的存在，以及微生物的快速生长有引起表面污染和堵塞的危险。在国外，应用河水作冷却水时，清洗频率很高，平均每年3.3次。管壳式换热器是由管束组成，自身重量体积都较大，在检修抽管时需要留出管束一样长的距离，故占地较多，还需配备必要的起吊检修设施。管壳式换热器的设计寿命一般为30年，大修周期4年，当换热器发生泄漏时，（可能是管子与管板间的泄漏或是管子破裂引起的泄漏）可以采用堵管的办法在短时间内恢复工作性能，管壳式换热器允许有7％的堵管裕量。对于管内的清洗可以根据需要采用胶球清洗装置进行定期的机械清洗。4 技术经济性分析以国产300 MW机组为例，根据水水换热器的设计条件及闭式循环冷却水系统的要求，管壳式及板式制造厂家分别作了初步的报价，其他主要辅助设备只是估价，比较情况见表1。

表1三种方案的投资比较

板式换热器采用进口设备，它的报价已按报价时的汇率折算成人民币，并只考虑了增值税。表1中未包括维护和检修费用，因其较难估出，只能定性分析，对于管壳式换热器主要包括水室里污物的处理，发生泄漏时进行堵管的费用。对板式换热器包括板片的清洗和垫片更换，因为它的清洗次数较管壳式多及垫片使用2～3年后需要更换，故板式换热器的检修维护费用要高。从以上比较可以看出，方案1与方案2投资上相差不多。5 结语通过对管壳式及板式换热器的比较，可以得出以下结论：板式换热器传热器传热效率高、体积小、重量轻便于拆装，当冷却水水质较好时，它是一种比较理想的换热器设备。但是对于冷却水中有大量泥沙、污物、水草等存在时，滤网又不能有效地发挥作用，很容易使其堵塞，造成频繁地清洗，影响了机组的安全运行。