换热设备采用无垢高效紊流换热管的应用前景2015

1、换热设备采用无垢高效紊流换热管的应用前景火电工业是二次能源生产企业，又是一次能源消费大户。火电工业能源能耗量大，消耗量占总量的一半以上，所以火电企业节能减排工作的重要性更为突出。降低一次能源的消耗而产出随着我国电煤供应紧张，价格上涨，的二次能源是火电企业今后努力的方向。燃煤燃气机组的节能减排工作在展开，节能降耗技术得到了广泛应用。尤其是在提高燃煤燃气发电机组的效率方面， 不断采用技术可行、经济上合理、符合环境保护要求的新工艺、新技术，以减少 电力生产过程中的损失和浪费，使电力生产更具经济性，有效利用资源，减少污染物和温室气体的排放。火力发电的整个热力系统比较庞大，其中的冷端系统是发电生产运行中

2、非常重要的组成部分，凝汽器又是这个冷端系统的设备。通过定量分析影响冷端方法，优化或改善冷端系统性能的主要，找出设备或系统的性能监测和设备运行水平，能有效提高机组冷端性能，降低机组煤耗。汽轮机冷端系统节能和优化的最终目的是获得最佳的凝汽器真空。在保证机组安全运行的前提下，如何优化凝汽器的最佳性能，并且在能量消耗最低的情况下获取最有利的运行真空，是火电机组运行中一个迫切需要解决。从机组冷端系统着手，提高机组汽轮机冷端性能，具有投入小、见效快的效果，是电厂节能降耗提高机组热经济性、实现效益最大化的最佳途径之一。一、冷端系统的凝汽器凝汽器是汽轮机冷端系统的设备，凝汽器真空是冷端系统性能体现的最重要参数

3、。凝汽器的压力也是凝汽器传热性能的综合体现，从图 1，图 2 可以看出其升高或降低将直接导致机组运行的经济性，运行。情况下甚至影响机组的安全目前发电厂配备的几乎都是表面列管式凝汽器，这种列管式凝汽器是由数千根或的换热管组成，运行中需要大量的工业冷却水作为冷却介质通过换热管的，来实现热交换。虽然凝汽器制造企业在设计制造中已将总传热系数 K 留1有足够的余量而增加了传热面积，但是在实际的运行中仍然有经常会 产生换热系数下降，而无法保证系统经济运行。造成换热管换热系数下降的原因有很多，如冷却水的温度、冷却水的进水量、被冷却物的温度和流量，及换热管的清洁度。除换热管的清洁度外，其余的指标都可以在工厂的

4、生产过程中控 制和设定的，唯独换热管的清洁度是不确定。那么换热管的清洁度是怎么下降的？清洁度的下降会带来怎样的结果？清洁度下降主要是由于水源和水质的差异引起的。沿江（河）或沿海采用直流供水的机组，水中的杂物和有机生物是主要原因；而采用循环供水冷却的机组，影响 换热管的清洁度的污垢主要来自循环水中矿物质盐类生成的碳酸钙和碳酸镁等 硬垢。凝汽器制造厂的性能介绍书中对凝汽器的清洁系数给出了定值或合理范 围，清洁度一般为0.8-0.85，而 300MW 机组平均运行清洁度为0.6。当清洁度为0.37时，影响真空度约2.45kPa。凝汽器中281 换热管的B5材料换热管结 垢0.5mm，使得传热热阻增加

5、近一倍，相应的传热系数下降近50%，同时使冷却 管通流面积减少7.6%，既影响了换热效果，又增加了循环水的阻力。这说明换热管清洁度低将导致传热热阻增大，总体传热系数降低，凝汽器传热端差增大， 引起凝汽器压力升高（真空下降）。图1 真空、端差与机组煤耗关系图2图2 真空、端差与机组热耗关系图二、改善清洁度的现状和措施前述的电厂配备一般都是表面列管式凝汽器，所用换热管几乎都是铜或不锈钢的光管，也有部分电厂采用钛管或波纹管。这些换热管短期的换热效果应该是可以的，尤其是后两种，钛管可以减缓腐蚀和延缓结垢，波纹管可以增加换热效率，但是它们都无法长期做到在保持洁度状态下运行。为解决这个重要的问题，电厂都采

6、用胶球、酸洗或水处理（加药）的应对方式。胶球是大型电厂广泛使用的一种工艺，它的目的是维持换热管的清洁度。根据各电厂的不同情况，胶球的间隔时间各有不同，有的数周，有的每天一次。这就意味着管内的清洁度是和时间成正比的。虽然胶球装置工艺很成熟，但是所带来的不利有很多，一是需配备独立的胶球装置；二胶球装置由于种种原因回收率并不高；三是凝汽器内存在死角，部分换热管内无胶球进入无法进行；四是胶球运行时间长后易膨胀容易在管内堵塞造成该管换热失效；而酸洗是针对有硬垢产生的换热管清洁工艺，它的不利主要有以下几点：（1） 一般只能在大修停机时才能进行，费用高；（2）由于硬垢和管内壁的咬合，每次都会剥去部分管内壁材

7、质，造成管壁减薄，大大缩短换热管使用寿命，影响机组安全；（3）对环境带来污染等。三、换热管内流体运动和传热特征3换热管的作用是将管内外两种相同或不同介质的热能相互转换。当换热管内要带走管外的热能时，管壁充当传热的角色，换热管内流体的运动方向在的流速合理的情况下是由管内壁形状决定的。对光管来说，在一般情况下，以层 流的形式出现，管内壁会形成边缘滞流层也就是阻热层。由于有滞流层的存在， 实际换热效果就会低于设计效果。流体在边缘滞留层长时间低速，形成了软 垢和硬垢的堆积，形成结垢的层面，大大降低了原来的换热系数，最终造成整体 换热效果下降。结论是，滞留层的存在使污垢堆积，降低了管内清洁度，造成换 热

8、系数下降，换热效果变差。解决这个问题的方法是改变流体的状态。四、无垢高效紊流管滞留层的存在是换热效果下降的主要原因，但是光管内的流体是无法消除滞留层的，要使这种现象不存在，只能改变流体的状态，使层流变成紊流状态， 有效的方法是改变管型的结构。现在的换热管研究和生产领域中也有一些高效换 热管。如波纹管、高齿管、单向槽管、双向槽管、螺旋扁管等，但这些管形内流 体很难达到自然紊流。虽然这些管型在的换热效果方面比光管有了很大提高，但是经过实际的使用，缺点也很明显，如流体阻力大大增加、对水源和水质的要求过高、沟槽部位极易结垢且难处理等，造成换热效果急剧下降，严重的会造成沟 槽部位断裂，给换热设备带来安全

9、隐患。这些缺点都是刻意地追求换热效果而忽 视了流体 传热的固有特征带来的。以上各管型所产生的缺点进一步说这 些管内的流体很难实现自然紊流状态，而是湍流状态。要实现管内流体紊流就必须让管型符合流体时的轨迹，让流体自然形成紊流状态而且是低流阻的。为了达到这个特征，就必须做到流体所经过的每一点都要符合流体紊流特征， 根据不同的流速下圆弧光滑的纵向旋转梯场来匹配合理的流速。这样的管型内所 经过的流体就会达到合理紊流状态（见图 3），达到低流阻、高效换热、不结垢， 且安全高效平稳运行。4图 3 无垢高效紊流换热管图 4 各种管型流速与压差（阻力）关系图各类换热管型流体阻力见图 4.从图 4 中可以看出管

10、型的改变随着流速 的变化造成流体阻力的变化是相当明显的。合理的流阻应尽量接近于相同管口直 径的光管流阻为基准。过高的流阻是和流体紊流状态不相吻合的。图 4 中由于多 种管型在流速变化的同时，流阻都大大高于光管，只能说明这些管内的流体是湍 流状态，而不是紊流状态。本公司早期的“螺旋纽带”技术（专利号：ZL01228783.0），从管内流体的角度来说是完全符合紊流状态的，但对水质、流速、温度的要求过高，使用 单位往往无法做到这几点而影响该技术的正常使用，达不到预期的效果。公司研发的无垢高效紊流管（国家发明专利：ZL03114761.5），经历了从研发、设计、无数次的试验、测试和优化，再到相关企业经

11、过了长时间的应用，已经完全达到了无垢高效紊流的效果。5五、企业应用案例1. 案例一：金山雅宝精细化工紊流管式冷凝器应用是一家规模较大的中外合资化工企业，企金山雅宝精细化工业位于金山。2003 年，采用我公司无垢高效紊流换热管技术对三台相同生产工艺的二甲苯中和冷凝器的 A、B、C 中的 B 冷凝器进行应用，经过几年时间的使用，得出的结论是“管内雷诺系数增加了 0.5 倍，换热效率提高了 45%，流体阻力小，管内不结垢，运行平稳，大大延长了使用”，确保了设备安全、平稳、高效运行，“增效，节能”效果明显。具体实际运行参数见表 1、表 2（特别说明此三台同类设备的设计物料流量是157.78kg/h）。

12、表1 换热器 E621A/C 标定数据（未采用该技术随机选择）表2 换热器E621B标定数据（采用该技术选择）6时间2004.6.252004.6.292005.10.102005.10.12工作参数二甲苯温度/119.5120.1119.7119.8二甲苯出口温度/38.838.639.439.5二甲苯压力MPa0.030.030.030.03二甲苯出口压力MPa0.0110.0110.0110.011二甲苯流量kg/h198.5186.3179.3153.3CW温度/32322828CW 出口温度/38.639.534.334.5时 间 2004.6.252004.6.292005.10.

13、102005.10.12二甲苯温度/119.2119.7119.8119.6二甲苯出口温度/38.73942.542.4二甲苯压力MPa0.030.030.030.03二甲苯出口压力MPa0.0120.0120.0150.015二甲苯流量kg/h1545158.3140.1138.2CW温度/32322828CW 出口温度/37.537.833.333.5CW 流量T/h75758080从表 1、表 2 参数中可以看出在物料增加约 21.8%的情况下，换热效率提高28.5%，节水率 6.25%，物料出口压力降低 17.48%。2. 案例二： 富阳胥口南方水泥富阳胥口南方水泥余热发电凝汽器紊流管

14、技术改造2500t/d水泥熟料生产线于2005年5月投产，2010年10月配套建设的4.5MW余热电站机组投入生产。余热电站配置杭州中能汽轮机厂N1.25-4.5MW汽轮发电机，凝汽器型号N560，冷却面积560m2，窑头锅炉设计废气流量14万m3/h,额定蒸汽流量14.7 t/h，窑尾锅炉废气流量19万m3/h，额定蒸汽流量18.1 t/h。余热电站于2014年2月大修期间对冷凝器换热管进行技改，将原来换热铜管更换为无垢高效紊流管。通过改造，提高凝汽器真空值平均提高1.77kPa ，蒸汽发电热效率较改造前提高了 3.64%，发电负荷增加1.90%，汽耗降低3.05%，吨熟料发电量提高0.42

15、度；无垢高效紊流管内不易结垢，每年减少酸洗1-2次，节省了酸洗费用，根据实际观察，在使用一年后打开冷凝器，管内没有结垢（图5）；夏季进水温度较高的情况下，图 5 使用 1 年后管子的情况（无结垢）仍能保持较高的真空值，保证整个发电系统平稳、高效运行。3、案例三：兰溪热电生物质发电凝汽器紊流管技术改造兰溪热电是浙江金华地区创建时间较早、规模较大的热电企业。拥有三台6MW热电机组，其中两台背压一台抽凝。由于建厂时间较长，机组设备系统出力相对较差，尤其是抽凝机组凝汽器系统，换热管结垢严重，换热效果差。在2014年1月将其中的抽凝机组凝汽器的半侧用紊流管更换铜管进行运试。在更换完毕后经过一年多时间的运

16、行，在相对应的工况下真空提高1.5KPa2KPa，排汽温度降低3度以上，端差降低46度。在2014年12月的18日和24日，7CW 流量T/h75757070在浙大、教授和使用企业的现场指挥下进行了同工况半侧运行对比，以检验紊流管技术的应用实际效果，并进行实时（见表1）。六、效益估算工业和能源领域中换热系统在电力、石油化工及各种行业都有大量使用。为了更直观的了解该产品技术能给使用带来的经济效益，选择了有电力行业发电标准的电厂真空凝汽器作为效益分析的对象作效益分析。在作效益估算前需强调的是电厂凝汽器采用本公司的“无垢高效紊流换热管”技术（弃用胶球和 酸洗工艺），可以在目前工况不改变的基础上提高的

17、换热效果。在计算时取保守 的效果提高最低值，即：真空提高 1%，端差下降 1 度的情况下所估算的经济效益。假设机组 200MW。真空提高 1%，节煤 3.50g/kwh（发电行业标准），端差下降1 度，夏天节煤 2.01g/kW.h，冬天节煤 0.88g/ kW.h（发电行业标准）。以300 天计算发电 14.4 亿度。按真空的提高和端差的降低所带来的经济效益是节煤7120 吨/ 年，煤价按 500 元/吨计算，可以节约约 356 万元。循环水的使用量比光管减少 10%以上，降低了循环泵的负荷，减少了厂自用电的比例，这也是一笔相当 可观的经济效益。七、应用前景当前火力发电、余热发电及其石油化工等行业中，大量将列管式换热器（图6）作为主力设备，相当比例的此类设备都在低效率