汽水换热器的设计及振动的消除措施

宋菊花

（大庆石化公司机械厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

某石化公司热电厂换热站还建项目中6台汽水换热器和3台水水换热器串联安装，其主要功能是用0.85～1.2 MPa水蒸汽加热“采暖水”从90 ℃达到127 ℃或150 ℃（对应设计和校核两种工况）。蒸汽在汽水换热器中要全部冷凝之后进入水水换热器，凝结水出口的最终温度不超过95 ℃。将加热后的采暖水作为热源，使其对厂区高温水站进行换热。该流程通过控制壳程冷凝水的流出量来调节蒸汽的进入量，从而调整整个流程的换热负荷。

1 设计情况

按照工程总承包单位和用户的要求，确定两组换热器均采用固定管板结构。在汽水换热器设计上使蒸汽流经壳程并达到全部冷凝，“采暖水”流经管程。水水换热器与汽水换热器为串联流程，水水换热器中采暖水流经管程，凝结蒸汽水流经壳程[1]。按照设计惯例，管程“采暖水”的接管下进上出，壳程蒸汽和蒸汽凝结水的进出口接管上进下出。而由于出现振动报警，汽水换热器的壳程接管调整为侧面进、下面出。通过使用HTRI换热器设计软件计算[2]，最终确定两组换热器的换热管长度为6 m，壳径为1000 mm。

1.1 振动的分析和消除

汽水换热器由于壳程为汽液两相流动，故折流板按垂直方向切口，流体为左右方向折流。当蒸汽进口设在顶部时，用HTRI进行振动校核，汽水换热器在入口区域出现振动报警提示。这个原因可能是蒸汽从顶部进入之后又转向左右方向流动，高流速的蒸汽形成的太复杂的三维流场使得进口区域产生振动。通过小的调整都不能消除换热器的这种振动问题。当把入口接管从顶部改到侧面时，该振动被消除了。因此，确定了汽水换热器采用了一种非常规的接管方式的设计方案。汽水换热器整体结构布局图如图1所示。

图1 汽水换热器整体结构布局图

1.2 水击振动的可能性和预防

对于换热器的蒸汽入口设在侧面的设计，在进行设计审查时，担心在某些（如换热负荷较小，并且凝结水出现滞留）情况下，壳体内液位可能会升得很高，侧面进入的蒸汽可能会形成冲击从而产生振动、噪声或者是水击等后果。

应用HTRI对设置侧面蒸汽入口的情况进行分析，结果表明：在设备正常运行时，设备内凝结水液面在换热管间并不是水平的，从入口区域到出口区域有着全汽到全液的变化，入口区域几乎都是蒸汽，仅有少量的凝结水。分布如图2所示。

图2 HTRI壳程凝液分析页面

此设备壳程侧入口规格为DN350，出口为DN200，正常运行时凝结水是不会出现滞留的。当系统以较极端的50%负荷工况运行时，切除2台蒸汽加热器，减少并联运行设备的台位，其运行的设备状态与正常运行时相似。因此，设置侧面入口的设备在正常运行时，入口附近不会有很多凝结液积存，不会产生汽流对高液位产生的额外的水击振动。

1.3 设计上采取的其他防振措施

此蒸汽加热器在壳程水平入口处用两排防冲杆代替常规防冲板，使入口的高速汽流有更好的分布，防冲挡杆孔规格如图3所示。在入口正对着接管部位加装了一块支撑导流，缩小了入口区间换热管的无支撑跨距；还使用了可变折流板间距，使入口附近的板间流速趋于均衡，这些措施都改善了入口附近的蒸汽流动，减缓了气流冲击振动。

图3 防冲挡杆孔规格图

2 换热器的防振设计

汽体物料在大体积流量以高流速换热时，是非常容易使换热器产生振动进而导致损坏的，因此对这6台换热器的进行了防振设计。

1）这里的汽水换热器壳程进入的蒸汽从过热状态冷却到过冷水状态，在整个换热中经历了汽、水两相的过程。首先遵循GB/T 151-2014《热交换器》标准要求，折流板采用垂直缺口介质左右折流，有利于汽、液的充分流动、换热，避免形成死区。

2）为了减缓入口冲击，加强防振效果，在壳体蒸汽入口处，没有采用常规的板式防冲挡板，而是设计了虽然结构较复杂但性能更好的双排实心防冲挡杆结构。同时进口区域留足了马鞍形空间。这里使用防冲挡杆结构增大了蒸汽的流通面积，又充分减缓了进入的汽流对换热管和邻近介质的直接冲击。

3）对于换热器设备壳程的进出口接管，在管线设计上也采用了足够的口径。进口选用了DN350，出口选用了DN200的接管，有利于物料的进入和流出。

4）该换热器之所以在设计上采用壳侧蒸汽侧入的方式，而没有采用蒸汽顶部进入的方式，是根据HTRI软件振动分析结果确定的。当顶部进入时，振动报警，而水平进入则无问题。这可能是由于蒸汽从侧面进入后会直接形成左右折流的流动换热；而从顶部进入之后，上下流动要转换成左右流动，流场更复杂，更易发生振动。校核工况的HTRI分析结果符合换热器减振的设计要求[3]。

3 低负荷工况下HTRI换热计算软件对壳体液位的模拟情况

HTRI软件是国内外通用的获得广泛认可的进行换热器工艺计算的专业软件。该软件可以进行各种情况下的振动和噪声分析。

3.1 正常运行工况下壳程蒸汽冷凝的比例关系

在设备正常工况运行时，壳程从进口的100%比例的蒸汽通过换热会转换到出口的100%比例的凝液。对应面积余量最大为64%的校核工况，壳程汽、液量的模拟曲线如图4所示。

图4 校核工况下壳侧凝液形成量的体积比例关系模拟图

3.2 给定条件下冲击情况

在给定的条件下，采暖水为2706 t/h并由90 ℃升温到127 ℃时，HTRI软件计算得到这是面积余量最大的工况，假设多余的面积被水平的液面淹没掉，这也就是液面最高的工况。经过核算，在63%面积余量时，应淹没约280根管，此时液位高度约为400 mm，即蒸汽入口接管DN350口径范围下部23%高度被淹没，上部73%高度是汽态的，此时进入汽流不会对液面形成明显冲击。

而在实际操作中还可通过调整投用换热器的数量来降低面积余量，从而会避开所担心的高液面。

3.3 在50%负荷下壳程液位的模拟

通过计算面积余量来计算液位高度[4]。当设备在50%负荷工况下运行时，有两种操作情况：一是温差不变，采暖水流量降低50%；二是采暖水流量不变，加热温差降低50%。

对应加热温差不变，采暖水流量降低50%的工况，可正常使用2台设备并联工作，此时二用四停，运行换热器的工作情况与原流量的4台换热器相同。按最苛刻的校核工况，其面积余量仍为64%，液位仍为23%。因而，在该负荷工况下，不会形成汽流对换热器内部液面的明显冲击现象。

对应采暖水流量2706 t/h不变，加热温差降低1倍，由90 ℃到109 ℃的工况，通过HTRI软件的计算，对应原面积余量最大的校核工况，仍可用2台设备并联工作，此时的面积余量为98%，液位总高度约为500 mm。因而DN350管口有一半的空间是汽态的，HTRI软件的分析结果显示不会形成汽流对液面的明显冲击。

如按设计工况50%负荷核算，采暖水流量为1664 t/h，加热温度到120 ℃，投用2台换热器，此时的面积余量为78%，液位总高度约为450 mm。因而进口DN350口径的空间有一多半是汽态的，换热计算及其振动分析的结果显示不会形成汽流对液面的明显冲击。

3.4 换热器内实际运行状态的分析

对于换热器，其内部空间几乎被管束填满，互相交错的换热管之间的间隙仅为7 mm左右。蒸汽、凝液需要靠压力作用从进口向出口边流动边换热[5]。蒸汽越来越少，凝液越来越多，到出口都变成凝液排出，壳内液体不会是水平的，入口的液面要低于出口液面。另外，这个管束又如同一盆水泡着石子，蒸汽吹入时，加上两排防冲挡杆，很难激起多大的振动。

4 设备操作方面的保障

首先，在换热器的正常使用过程中，要保持凝结水流动的通畅，避免形成人为滞留产生的高水位。另外，当换热系统负荷变动较大时，要按照设计要求适时调整并联运行换热器的数量，以便在小负荷运行时能及时切除部分换热器的运行，使得运行的换热器保持较小的面积余量，降低壳程凝结水的液位，从而消除小负荷运行时入口汽流对高液位的冲击可能带来的水击或振动。

5 结论

综上所述，该换热系统选用的6台汽水换热器，在使用过程中能够满足正常生产运行工况的要求；另外，对单台换热器在50%设计工况和校核工况进行了核算，也不会产生振动、噪声或者水击等现象，完全满足使用要求。该换热器系统从设计完成到安装调试及使用后，一直运行正常。证明在该换热器设备的设计上所采取的振动消除措施是有效的，能够达到减振的要求，可供类似换热器设计进行振动消除，延长换热器的使用寿命，加强换热器的换热效率，提高经济效益。