不锈钢波纹管换热器在长输加热站的应用及经济分析.pdf

工程技术 I E C Technol ogy 加热站的应用及经济分析 石中玉 华 东管道设计研究院 江苏徐州 22 1000 摘要针对不锈钢波纹管换热器的结构特点 进行了详细的理论和技术性能分析 阐述波纹管换热器在使用中的优缺 点 比较在为原油加热时波纹管换热器 与传统 加热炉 的经济效益和社会 效益 关键词波纹管换热器 传热系数 热阻节 能 中图分类号 T U 723 文献标识码 B 文章编号 1672 9323 2009 02 0018 03 现在国家正在提倡建设节 约型和环保型社会 节能和环保 是 我们 的重要任务 在长输管道 中 我 们的加热泵站大多使用直 接式或间接式加热炉来为原油加热 为了进一步节能减排 降低 管道运营成本 提高企业的经济效益 近年来我们公司在降低原 油加热能耗方面做了一系列的探索 其中 在较易获得蒸汽热源 的泵站用不锈钢波纹管换热器替代加热炉 取得了良好的经济 效益和社会效益 1 不锈钢波纹管换热器的结构 不锈钢波纹管换 热器是在管壳 式换 热器 的基础上 采用特 种不锈钢板材 滚压卷成圆形薄壁光管 通过改变换热管表面 形状 对换热管进行 双面强化 其与普通换 热器相 比 最大 的特 点是管程采用薄壁不锈钢波纹式换热管 换热管采用软模内胀 加工方法形成内外均匀的连续波纹形状 该波纹管的管内流动 呈等直 径流束型 式和 弧形流束型式 使流速和压力周 期性的变 化 冷热流体产生强烈扰动 实现了复合强化换热 2 不锈钢波纹管换热器传热性能分 析 2 1 传热原理 物质 间热交换过程有三 种 热辐射 对流传热和 热传导 热 量自热流体传到问壁表面的一侧 或自问壁另一侧表面传给冷 流体 都属于对流传热 在换热器中对流传热和热传导占绝大部 分 传热学传热速率公式如下 Q K A T t 式 1 式中 Q 换热量 K 换热系数 A 换热面积 T t 传热温度差 从式 1 可 以看到 换 热量和换 热系数 K成正 比 要提 高换 热器的热交换能力 就必须想办法提高 A 值和 K 值 对流传热时根据传热学原理 圆筒型壁热交换管的总热阻 公式为 l K 1 d l b d l dm l Ot 2 d l d2 R s d l d2 式 2 式 中 1 2 管壳程对 流传热系数 K 总传热系数 b 换热管壁厚 换 热管传 热系数 R s 污垢 热阻 d l d2 dm 分别为换热管内径 外径 中径 由问壁两侧流体热交换过程及式2 可以看出 要想提高热 交换器的换热性能 就要 降低总热 阻 l K 提 高总热交换系数 K 值 2 2 不锈钢波纹管换热器换热性能分析 通过以上对传热原理分析 我们可以得到不锈钢波纹管换 热器 具有 以下性能 1 良好的对 流传热性 能 由于换热管壁制造成一个个的波 纹 所以介质在管内流动时 其层流层被凸凹不平的壁面所破 坏 这样就大大提高了介质的湍流层 形成不断的旋涡式湍流 流动 可达到更充分的换热效果 从而提高了介质间的对流传热 系数 降低了对流热阻 1 oc 使波纹换热器具有 良好的对流 传热性能 2 良好的热传导性能 本设备波纹换热管采用不锈钢薄壁 管制成 不锈钢具有 良好的热传导性能 即热传导系数 大 石 油 化 工 建 设 0g 02 I 6 7 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m E c Technol ogy I 工程技术 且采用 0 5 1 5m m的薄壁管 这样就保证减小了传导热阻 b 值 所 以它具有 良好的热传导性能 3 较低的污垢热阻 由于换热管采用波纹形 所以介质在换 热管内外壁流过时 增加了湍流流速 形成了一个个向前不断涡 流流动的流态 大大减少了介质在换热管内外壁上积垢的可能 从而大幅度降低了污垢热阻 R s 4 单位容积传热面积大 由于换热管是由光管连续胀形 外 表面形成一圈圈的波纹 所以内外表面积均比同长度的光管大 光管制成后的波纹管 表面积可 以比原来增大 20 左右 所以同 壳径 的换热器 装有 同数量 的换热管 装波纹管的可 以比装光管 的换热面积大 所 以传热效果好 2 3 不锈钢波纹管换热器使用性能 1 不污 不堵 不结垢 由于该设备的换热管采用不锈钢材料制成 波纹管的独特 波纹外形 可 以使管 内 外介质 形成 充分湍流 流体 中的污垢或 其它悬浮颗粒不易沉积在 管壁上 使管壁不易结垢 故 防堵性 能好 管程耐蚀性好 所 以它照 比其它 换热器大幅度减少了设 备的清理维护工作量 即使在某些因换热管壁温较高 冷却水 水质较硬的工况下发生结垢现象 在换热器开停车及工况变化 时 由于波纹 管是柔性管 在温差应力 的作用下沿轴 向有一定的 伸缩变形 同时污垢和金属波纹管的线膨胀系数相差较大 在温 差应力作用下污垢和管壁间会产生一个较大的拉脱力 足以使 污垢脱落 实现自动清垢 对硬 脆垢效果更佳 2 防漏能力强 因为每根换热管的各个 波纹都 具有 自身补偿热胀冷缩的功 能 有较强的适应热膨 胀能力 由于在波纹形成过程 中没有模 具限制 无金属强制变 形 不会造成应力集中 残余应力小 没有 晶间缺欠 不会造成应力腐蚀 不锈钢耐腐蚀性也好 所以防漏 能力强 3 较高的承压能力 由于波纹管是不锈钢材质 温度可达到 450 C 波纹管又是 柔性元件 比光管增强了其承载压力的能力 使其更适合在较高 的压 力下 工作 4 性价比高 维护费用低 由于波纹管采用了薄壁不锈钢材料 在提高了产品使用寿 命的同时也大大地 降低 了产 品重量 减小设备 占地面积 使产 品 的性 能价格 比大 幅度提高 由于 不锈钢波纹管优 良的材料及较 强的抗结垢能力 使不锈钢波纹管换热器具有维护周期长的特 点 一般 3 5a 无须维护 延长了设备寿命 3 不锈钢波纹管换热器经济社会效益分析 以我公司一泵站改造为例 分析改为不锈钢波纹管换热器 后的节能情况 我们公司一热泵站 泵站加热原油平均热负荷为 655l k W 原有加热炉三台 共计 12500 kW 原设计使用燃料为 原油 为了降低运行成本 后改为外购车运煤焦轻油 通过一年 使用 原油得到了节约 但运行成本下降不太理想 2008 年对该 站加热系统进行改造 新建不锈钢波纹管换热器 新建站外热力 管网 外购蒸汽为原油加热 使用燃料为煤焦轻油时年平均耗 油量为 4751t a 煤焦轻油 运费 3850 元 t 改造为不锈钢波纹管换热器加热后 根据热量平衡和换热 效率计算 得出年平均系统所需蒸汽的耗汽为 69401t a 外购蒸 汽 170 元 t 由于输油泵站距蒸汽热源有 2 5k in 的距离 投资 建设站外热力网及换 热设备共投资 了 1500 万元 表 1 输油能耗及烟气量表 燃 灌 弹 价 蠢 耗 I j 随 加热炉 4751 3850 1829 1 18750 m 骜 l l 毫 鬟 耄 鲁 l囊 蒸 汽 I j11 79 8l i l lll 改造后每年节约运行费用为 1829 1 1179 8 649 3 万元 投资回报期约为 1500 649 3 2 3 a 这样不到 3a 即可收 回改造成本 再者 从环保角度看 没有了烟气排放 改善了自然 环境 提 高了企业效益和社会效益 提高了安 全生产系数 4 结论与建议 通过近年来在输油生产上的应用 证 明不锈钢波纹管换热 器是节能的 环保的 适合原油加热的 但在设计和使用中还要 注意 以下两点 1 蒸汽管路疏水阀的选择 疏水阀的选择取决于疏水阀进 出口最大压差及疏水阀的最大排水量 同时 应考虑供气初期的 低压重负荷及设备预热的要求 2 蒸汽的压力要满足换热器的要求 因为蒸汽压力 温度 与的换热量密切相 关 如果压 力过低 就不能达 到设计温度 影 响换热效果 参考文献 1 杨世铭等 传热学 北京 高等教育出版社 2 石油