谈翅片管换热器在电厂节水改造中的应用

        摘要：本文针对电厂汽机及给水泵的冷换设备陈旧，原设计未充分考虑到冷换管壁结垢后影响冷换效果的因素，造成冷却效果差，在夏季被迫掺用或直接用工业水(地下水)进行冷却的情况，认为利用新型先进翅片管换热器进行改造，增加换热面积，提高换热效果，能达到优化全厂水平衡和节水的目的。 
    关键词：冷换设备 翅片管换热器 换热效果 节水改造 　　 
　　我厂由于建厂时间长，热电厂汽机冷油及给水泵的冷换设备因为夏天循环水温度高(37℃)，而原设计由于未充分考虑到冷换管壁结垢后影响冷换效果的因素，在夏季被迫掺用或直接用工业水(地下水)进行冷却，达到维持设备运行参数的目的，由此，约300吨/小时工业水流入冷却水塔，造成水塔水位长期处于高位，导致水塔长时间不能补入软化水，水质变差，不得已加大循环水排污，从而造成循环水浓缩倍率偏低，最终导致工业水耗量增加和凝汽器换热管束因腐蚀发生泄漏的可能性增大，为此，必须对汽机及辅机的冷换设备进行必要的技术改造。 
　　受条件限制，改造时需要把握两个原则，一是不影响正常生产，二是减少动改工作量，减少投资。为此，经过广泛调研和论证，利用比较成熟和先进和翅片管换热技术，将原冷换设备中的光管改造成双金属翅片管管束，增加了有效的冷却面积，从而提高冷油器的换热效果。  
　　一、翅片管换热器介绍  
　　用普通的圆管(光管)组成的热交换器，在很多情况下，管外流体和管内流体对管壁的换热系数是不一样的。所谓换热系数，是指单位换热面积，单位温差(流体与壁面之间的温差)时的换热量，它代表流体和壁面之间的换热能力的大小。 
　　例如：水在壁面上凝结时的换热系数为： 10000—20000 w/(m2.℃) 
　　水在壁面上沸腾时的换热系数为： 5000—10000 w/(m2.℃) 
　　水流经壁面时的换热系数大约为： 2000—10000 w/(m2.℃) 
　　空气或烟气流经壁面时的换热系数为： 20-80 w/(m2.℃) 
　　空气自然对流时的换热系数只有： 5—10(m2.℃) 
　　由此可见，流体与壁面之间的换热能力的大小相差是很悬殊的。因此换热器的换热效果取决于换热系数低的一侧，即为换热瓶颈。 
　　要提高换热效果最有效的方法之一就是在低侧采用扩展表面，即做成翅片管。假定翅片管的实际传热面积为原来的光管外表面积的若干倍，虽然换热系数仍然很低，但总体的传热效果将大大增加，从而使整个传热过程增强，在总传热量一定的情况下，也可以使设备的金属耗量减小，经济性提高。  
　　二、我厂采用的济南达能公司生产的“复合双金属翅片管冷却器”系山东大学和俄罗斯中央柴油机研究院联合开发专利技术。 　 
　　1.翅片管冷却器单位体积的换热面积一般要比光管冷却器大出5～10倍。 
　　换热管采用铜铝复合双金属翅片管，即铜管与铝管复合后，在专用机床上轧出铝翅片，铜铝结合为一体，其间无热阻。 
　　2.由于翅片的特殊结构和翅片管合理的布置，使流体在通道中形成强烈的湍流，并使热边界层不断的破坏，从而使其换热效率比传统的光管得到很大的提高，并且具有自清洁作用，翅片污垢不易积存。 
　　3.保证换热效果的前提下减少换热管子的数量，减少金属的消耗率，这样可以使得管板应力分布均匀，不易泄漏。 
　　采用双层金属材料，而基(衬)管由一层铝壁保护，抗腐蚀，对温度突变及振动有良好的抗力，不易泄漏。 
　　4.铝翅片很薄，结构紧凑，重量轻，既是主要的传热表面，又是两隔板的支撑，故强度高。 
　　5.采用防止电化学腐蚀的特殊措施，保护冷却器管板。 
　  三、改造实施情况(以给水泵冷油器为例) 
　　1.改造要求 
　　由于热电厂原汽机及辅机的冷换设备所占空间的限定，且考虑到在不影响生产的前提下，尽量缩短改造时间及减少改造的工作量，要求主冷油器的改造在不停机情况下进行，这就要求主冷油器的接口定位尺寸与外形尺寸不能改变，给水泵冷油器也存在类似的要求，因此改造后的冷油器必须考虑在限定的空间内布置更大换热面积的换热元件，并且要采用其它措施以强化传热。 
　　给水泵冷油器采用俄罗斯的铜铝“复合双金属翅片管”技术，用铜铝复合双金属冷轧翅片管作为传热元件，代替原来的光管。根据现场的温度、流量参数要求，确定合适的流体空间，布置足够的换热面积；并根据透平油的边界层特点设计翅片高度与节距，加强油流体的湍流，增大传热系数，增加换热量，改善其换热效果。 
　　2.计算、设计技术要求： 
　　2.1技术指标 
　　(1)冷油器进口最高油温：≤60℃ 
　　(2)冷油器出口油温：35℃～45℃ 
　　(3)冷油器进口水温：≤37℃ 
　　(4)冷油器管承压力：0.2Mpa 
　　(5)冷油器壳承压力：0.5Mpa 
　　(6)循环水水质情况：电导率：3348US/平方厘米 
　　悬浮物含量：94毫克/升 
　　2.2热力计算数据表：略 
　　2.3设计要求 
　　经综合分析，采用俄罗斯的铜铝“复合双金属翅片管”技术，根据现场的温度、流量参数要求，计算分析确定合适的流体空间，布置足够的换热面积；并根据透平油的边界层特点设计翅片高度与节距，加强油流体的湍流，增大传热系数，增加换热量，改善其换热效果。 
　　(1)换热管采用铜铝复合双金属翅片管，即铜管与铝管复合后，在专用机床上轧出铝翅片，铜铝结合为一体，其间无热阻。 
　　(2)铝翅片外径φ24，翅片节距2.3mm。根据透平油的边界层厚度，对翅片高度和节距进行了优化设计，最大可能地减少了油流体边界层的影响，强化了油侧的传热，提高了整体传热系数。 
　　(3)基管尺寸为φ16×1，材质为加砷锡黄铜，锡的作用在于抑制黄铜脱锌，提高黄铜的耐蚀性；加少量的砷是为了防止应力腐蚀。 
　　(4)设计该冷油器壳体直径为φ377，换热管有效长度为1.44m，换热面积为15m2。 
　　(5)在保持原壳体不变的情况下，有效地增大冷油器的换热面积。 
　　(6)翅片的特殊结构和翅片管合理的布置，使流体在通道中形成强烈的湍流， 
　　并使热边界层不断的破坏，从而使其换热效率比传统的铜管得到很大的提高。 
　　(7)保证换热效果的前提下排列换热管的数量要少，这样可以使得管板应力分布均匀，不易泄漏。 
　　(8)用双层金属材料，基(衬)管由一层铝壁保护，抗腐蚀，对温度突变及振动有良好的抗力，不易泄漏。 
　　(9)铝翅片很薄，结构紧凑，重量轻，强度高。 
　　(10)将壳体直径增加至φ590，高度不变，接口尺寸不变。此方案可布管306根，冷油器的换热面积增至68 m2，比原来的40 m2增加了67.5 %；水侧通流面积为0.0236 m2，水速1.2m/s 。这样不仅换热面积得到有效增加，水速也从原0.9m/s(偏低)提至经济安全水速1.2m/s，使水侧传热系数有效提高，且由于高度与原壳体保持不变，接口尺寸不变，并不增加安装工作量，还可以较容易地将原管板易泄漏的密封方式改为结构简单且更不易泄漏的新密封方式。  
　　四、改造后的效果 
　　我们对液力耦合器冷油器电机空冷器等同时进行了相应改造。技术改造完成后，在夏季用循环水(37℃)冷却，仍可保证冷换设备工质侧油温、风温在规定范围内，并有较大调整余量，消除了重大安全生产隐患。同时，可使一期循环水冷却塔保持正常水位，节约新鲜工业水300t/h，并可向水塔补入足够软化水，提高循环水浓缩倍率，减少汽轮机凝汽器腐蚀，可以满足经济与安全的。