接受背压机组排汽的矩形热网加热器研制

向娟 马廿

摘 要：文章介绍了接受背压机组排汽的大型矩形热网加热器的计算方法和结构特点，分析了热网加热器进汽接管的受力，提出了解决热膨胀等问题的方法和途径，为同类实际工程运用设计提供宝贵经验。

关键词：背压机组；热网加热器；传热；结构

中图分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0123-03

Abstract： This paper introduces the calculation method and structural characteristics of large rectangular heating network heaters accepting exhaust steam of back pressure units， analyzes the force exerted on the inlet steam nozzles of heating network heaters， and puts forward the methods and ways to solve the problems such as thermal expansion. It provides valuable experience for the same kind of practical engineering design.

Keywords： back pressure unit； heating network heater； heat transfer； structure

前言

近年来，随着热电厂大规模的建设，背压式汽轮机组市场需求增多，热电联产事业明确地把节能放在首位。其中热网加热器，是整个热电厂供热系统中的重要组成部分。常规热电厂采用背压机组排汽至热网加热器，排汽管道上加装安全阀、止逆阀、快关阀、电动闸阀等，管道长，热源损失大，经济性差。为提高热电厂效率，将热网加热器直接与背压机排汽口相对接，但此结构方式需考虑内压力、热膨胀以及机组负荷变化波动等问题，本文详述了直接接受背压机组排汽的矩形热网加热器的技术难点及解决方案。

1 矩形热网加热器热力计算

1.1 由传热学，按以管子外径为基准，考虑污垢热阻，按圆壁公式计算其传热系数K为：

公式（1）中：α1-管外蒸汽凝结传热分系数，W/（m2.℃）；α2-管内给水对流传热分系数，W/（m2.℃）；d0-管外径，m；di-管内径，m；λ-管壁导热系数，W/（m2.℃）；R1-壳侧污垢热阻，（m2.℃）/W；R2-管内污垢热阻，（m2.℃）/W。

加热器运行一段时间后，管壁积附污垢，在传热计算时必须考虑污垢热阻。按美国热交换器协会（HEI）《表面式给水加热器标准》，对于加热器的凝结段，其管内给水侧的最小污垢热阻R2为3.5222×10-5m2.℃/W，式（1）中将其修正到管子有效外表面即R2，此推荐的最小值适用于各种管子材料，壁外表汽侧蒸汽凝结成水按HEI标准，其污垢热阻不予考虑，即R1=0m2.℃/W。在我国较多采用《机械工程手册》推荐的热阻考虑方法，将壳侧污垢热阻与管内污垢热阻之和统称为流体污垢热阻Rd，并规定其取值范围为4.3～8.6×10-5m2.℃/W，另外，对于碳钢管还要考虑氧化层热阻；同时在GB/T151-2014《热交换器》附录中提供了流体热阻数据，其流体品种繁多。

上述计算热阻的推荐数据标准中，美国HEI标准针对加热器专业性更强，故在本文中计算其传热系数时，采用美国HEI标准中推荐的污垢热阻数据。其中，对于纯凝结放热的水平管束汽至壁传热分系数α1为：

对于传热面积较大的加热器，管排数越多，即公式（2）中n越大，下部管排放热效果越差，造成管子表面的液膜易于下滴，液膜增厚放缓，且撞击和飞溅使下排液膜扰动增强。上述公式一般较适用于管排数量小于20的换热器。

针对大型换热器，应用目前国际流行的Karn公式进行修正计算：

公式（2）、公式（3）中：B-系数；Ts-蒸汽饱和温度，℃；tw-汽测管壁温度，℃；r-汽化潜热，kal/kg；n-水平管束沿垂直方向的管子平均排数，指管子外表面的凝结液膜垂直向下流动经过的管排数。

1.2 采用HEI曲线法进行核算，总体传热系数K：

公式（4）中：βt-冷却水温度修正系数；βm-冷却管材料、壁厚修正系数；βc-冷却管内壁表面的污垢系数；K0-基本传热系数。

因热网加热器循环水进口水温较高，多数情况下已超出HEI中冷却水温度修正系数曲线取值。由于管内水越温高，其粘度越低，导致管内雷诺数越大，运行时管内水阻较计算值小，实际传热系数比修正值高，其最终计算结果稍偏保守。

针对大型热网加热器，应用Karn公式进行其传热分系数的修正计算，再采取曲线法进行传热系数的校核，最终取定合适的传热面积。

2 矩形热网加热器结构设计

2.1 矩形热网加热器结构简介

采用固定管板式热网加热器，换热管为直管，其两端分别与两端管板进行强度胀接后施加密封焊，汽侧壳体设置U形膨胀节，有效缓解壳体与管束的温差应力。加热器采用单壳体四流程，热网循环水接管采用双进双出，左右对称布置，满足单侧运行需求。换热器管束分成两组，四个独立区域，每个小管束左右冷却管数量相同，对称布置，在最底部设置单独的空冷区，排管为我公司自主研发设计，加热器管束布置及结构示意图详见图1。

在管束最底部设置较大的疏水腔室，有利于疏水调节和保持水温的恒定，在每個进汽口处的管束顶部设置弧形的防冲挡板，以增大该处的通汽截面积，防止汽流速度过高，避免或减缓管子的振动。

在热网加热器两根进汽管道上分别加装弹簧全启式安全阀，如果换热管破裂，给水通过断口流入壳体内，使水位升高迫使蒸汽压力升高，此时安全阀开启，能保护壳体防止超压爆破；在给水进、出口阀门之间的给水管路上设置管侧微启式安全阀，若给水进、出口的阀门被关闭，但加热蒸汽可能继续进入壳体，加热换热管内的给水，给水温度升高，体积增大，引起水室等整个管侧系统超压，为了防止上述水的膨胀引起的超压，甚至水室破坏，故加装管侧安全阀。

2.2 汽侧壳体与管束的温差应力

换热器的汽侧壳体与管束若是刚性连接，由于壳体的温度、材质与管子的温度、材质不同，其热膨胀量不同，形成了温度应力，在安装温度t0下，其长度均为L，作用在管子（壳体）上的拉伸力或压缩力F：

由公式（5）可见，作用在管子（壳体）上的拉伸力或压缩力F与两壁温差、两种材料的线膨胀系数及管壳的抗拉（压）刚度成正比。对于受内压的固定管板式换热器，处于工作状态下承受着流体压力和温差应力的共同作用，在这两个力的联合影响下，管子与管板会出现相互脱离的趋势，即拉脱力。

常见的温差补偿装置一般采用膨胀节。如果不能同时满足下列三个条件，则需设置膨胀节：（1）内压引起的壳壁轴向应力与壳壁温差应力之和小于壳体材料许用强度极限；（2）内压引起的管壁轴向应力与管壁温差应力之和小于管子材料的许用