钛管换热器的工艺计算及经济性分析

刘玉华，刘涛，李镇

（青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266426）

LNG 被公认是地球上最干净的化石能源，但是基于我国富煤、贫油、少气的能源结构，最近我国大量进口LNG。LNG 在气化的同时，可以利用其冷源，通过卡诺循环进行发电。该工艺涉及到海水换热器，为了保证发电平稳，需要采用钛换热管。

钛换热器因金属离子不易流失，所以可充分利用这种非磁性特点，用做制药及食品等用途的换热器。由于钛的抗腐蚀能力强，所以换热器的使用寿命长，并且在使用中维护费用也低。此外，因其具有体积小、换热能力大等优点，相关设备（如泵）的投资及运行费用也能相应减少[1]。

钛管换热管的价格为127 元/kg，S30408 换热管的价格为17.2 元/kg ，价格昂贵，因此在进行钛管换热器设计的过程中，在满足工艺参数的前提下，尽量减少钛管的重量，从而提高经济性[2]。

笔者在设计钛管换热器的过程中，需要考虑到，如何减少工程总造价，主要包括设备固定投资和运行费用。基于此，笔者在保证传热要求的前提下，系统分析了不同换热管规格对总费用的影响。

1 设计参数

LNG 发电项目由烟台某电力公司总包，我公司负责热工计算，要求换热余量至少10%。其主要设计参数如表1 所示。

表1 工艺性能设计参数Table 1 Process performance design parameters

2 换热器工艺计算

2.1 换热器管壳程流体分配

根据工程经验，凡是接触海水介质的材料需要采用Ti 材，如果将海水安排在壳程，换热管、壳程材料和管板均需要采用昂贵的钛材，所以将海水安排在管程。

2.2 换热器型式的确定

管壳式换热器总的传热热阻[3]是由热流体与管壁的对流传热热阻、管壁和污垢的导热热阻，以及管壁与冷流体的对流传热阻串联构成。 海水汽化器的总传热热阻：

由于管壳侧介质的对流传热系数比较高，海水侧污垢热阻对总体热阻的贡献值很大，基于此，设计过程考虑减少污垢热阻的措施。

目前管式换热器（例如凝汽器、空气冷却器、冷油器等）内部换热管道内壁结垢后一般采用化学清洗和物理清洗（高压水射流清洗），这两种清洗方法都是在管道内壁结垢后才能进行清洗，且没有预防管道内壁结垢的功能。

清洗时需设备停运后才能进行清洗除垢等操作，清洗除垢过程时间长且对设备损伤较大、安全风险高、费用较高、劳动强度大等缺点非常明显。

选用胶球在线清洗装置，可以在不停工的前提下，进行在线清洗，可以保证换热器在高传热系数下运行。经过与在线清洗厂家咨询，一台在线清洗装置需要10 万元，管内污垢热阻可以从原来的0.000 352 m2·k/W 降低至0.000 088 m2·k/W。 表2为采取这两种不同污垢热阻的设计结果。

表2 固定投资对比Table 2 Fixed investment contrast

从表2 可以看出，采用胶球在线清洗装置可以节省换热器管束费用308.8 - 242.1 = 66.7 万。综合考虑在线清洗装置投资10 万元，可以节省费用56.7 万元，所以采用在线清洗装置。

这种在线清洗装置，需要单管程的结构。考虑到固定管板结构，冷热流体传热接近逆流，且管壳程壁温不大，不需要设置膨胀节，所以确定换热器型式为单管程BEM 结构。

图1 折流板布置图Fig.1 Layout of baffle

2.3 换热管规格的确定

基于2.1 和2.2 的分析，确定采用BEM 固定管板换热器，将海水放在管程。采用φ25×1.5、φ19 mm×1.5 mm、φ14 mm×1.5 mm、φ12 mm×1.5 mm 四种不同换热管规格，分别进行工艺计算。

2.3.1 设备固定投资费用

在保证换热性能的前提下，分别应用HTRI 8.1进行传热计算，得到换热器规格，由于钛管价格昂贵，设备固定投资近似等于换热管费用，将结果列于表3。

表3 不同换热管规格对固定投资的影响Table 3 Influence of different tube on fixed investment

图3 沿着换热器轴向管壳程流体温度Fig.3 Fluid temperature of shell and tube along the axial direction of the heat exchanger

从上式可以看出，随着管内径的减小，总传热系数不断增大，将计算结果绘制于图2 ～ 3。

图2 不同换热管规格对总传热系数的影响Fig.2 Influence of different tube on total heat transfer coefficient

根据Q=KAΔTm，式中Q[3]为换热量，K为总传热系数，已经获得，关键是对ΔTm的获得，由于壳程流体发生相变，不能采用对数传热温差公式计算，只能采取分段计算方法，分别计算壳程气化区和过热区。在气化区和过热区可以分别采用对数传热温差计算平均温差。根据上述公式，得到换热面积。

图5 不同换热管规格对管束固定投资的影响Fig.5 Influence of different tube on investment of tube bundle

从表3 和图4 ～ 5 可以看出，随着管外径的减小，管束质量逐渐降低，设备固定投资也逐渐降低，似乎应该选择φ10 mm×1.5 mm 的小规格管子。但设计换热器不仅仅要考虑固定费用，还需要考虑设备全周期的费用，因此必须要考虑运行费用。

图4 不同换热管规格对管束质量的影响Fig.4 Influence of different tube on tube bundle quality

2.3.2 设备运行费用

取设备寿命为20 年，查得当地工业用电单价为0.85 元/ kw·h，海水的体积流量为0.3 m3/ s，管程压降分别按照水力计算获得，水泵轴功率W=ΔP×Q，式中W代表轴功率，ΔP代表压降，Q代表体积流量，运行费用P=i×c，式中P代表运行费用，i代表耗电量，c代表用电单价，如表4 所示。

表4 不同换热管规格总费用计算表Table 4 Computation sheet of all-in cost

图6 不同换热管规格对管程压降的影响Fig.6 Influence of different tube on tube side pressure drop

从表6 中可以看出，随着管径的减小，管内径的压降逐渐增加。管内压降的影响因素包括流速、流体物性、换热管长度[5-6]，具体公式为：

2.3.3 设备全生命周期费用

从图7 ～ 8 和表5 可以看出，随着管外径的增加，水泵运行费用不断减少，设备固定投资不断增加，无法判断最优管规格，基于此，以总投资费用为纵坐标，作图如图9 所示。

图7 不同换热管规格对运行费用的影响Fig.7 Influence of different tube on the operating cost

表5 不同换热管规格对固定投资的影响Table 5 Influence of different tube on all-in cost

图8 不同换热管规格对固定投资费用的影响Fig.8 Influence of different tube on fixed investment

图9 不同换热管规格对总投资费用的影响Fig.9 Influence of different tube on all-in cost

从图9 中可以看出，当换热管外径为19 mm 时，总费用最低，因此最优换热管规格为φ19 mm×1.5 mm

3 结论

综上所述，接触海水介质的流体放在管程，可以避免壳程使用价格昂贵的钛材，可以节省设备投资。

由于管壳侧介质的对流传热系数比较高，海水侧污垢热阻对总体热阻的贡献值很大，综合考虑清洗装置投资，使用在线清洗装置。

随着管内径的减少，总传热系数不断增大，管束重量逐渐降低，因此，小换热管需要较小的固定投资。

随着管径的减小，管内径的压降逐渐增加，水泵的运行费用逐渐增加，因此，小换热管需要较大的运行费用。

作为制造厂，在换热器工艺计算的过程中，不能只考虑设备的制造成本，还需要考虑换热器全生命周期的费用，以总费用为最优目标，得到最优换热管规格为φ19 mm×1.5 mm。