熱網(wǎng)加熱器設計研究

1、熱網(wǎng)加熱器設計研究江號葉( 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)摘 要: 熱網(wǎng)加熱器是熱力系統(tǒng)供熱機組的重要組成部分，它是利用汽輪機的抽汽、減溫減壓的鍋爐蒸汽或其它熱源來加熱熱力系統(tǒng)中的網(wǎng)路回水和工業(yè)生產(chǎn)等用熱水網(wǎng)路回水的加熱設備。文中介紹熱網(wǎng)加熱器的主要結構選型設計、性能及參數(shù)、設計計算方法及設計要點，同時還介紹了熱網(wǎng)加熱器所配備的附件。關鍵詞: 熱網(wǎng)加熱器; 結構; 性能; 參數(shù); 計算中圖分類號: TU822 6文獻標志碼: B文章編號: 1009 3230( 2014) 06 0033 05Design esearch of Thermal system HeaterJIA

2、NG Hao ye( Harbin Boiler Co，Ltd ，Harbin 150046，China)Abstract: Thermal system heater is an important part of heat offering units in the thermal system，it is a heating device for heating hot water network return to thermodynamic system of network backwater and industrial production using extraction s

3、team of turbine，the temperature and pressure reduction boiler steam or other heat source This paper introduces the main structure of heater type design，performance and parameters，design method and design points，also introduces the heaters equipped with accessoriesKey words: Thermal system heater; St

4、ructure;Performance; Parameter; Calculation0引言1工作原理根據(jù)熱力學第二定律: 熱量必然自發(fā)地從高熱 網(wǎng) 加 熱 器 是 利用汽輪機的抽 汽 、減 溫 減壓的鍋爐蒸汽或其它熱源來加熱采暖系統(tǒng)中 溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體。熱網(wǎng)加熱器為表面示加的網(wǎng)路回水和工業(yè)生產(chǎn)等用熱水網(wǎng)路回水的 加 熱 設 備1 2 。 按其在熱網(wǎng)中的任務可分為基 本 熱 網(wǎng) 加熱器和尖峰熱網(wǎng)加熱 器 。 基 本 熱 網(wǎng) 加 熱 器 承 擔熱網(wǎng)的基本熱負荷 ，汽 、水 側 參 數(shù) 均 較 低 。 尖峰熱網(wǎng)加熱器承擔熱 網(wǎng) 的 尖 峰 熱 負 荷 ，參 數(shù) 較 高3 4 。熱器，以管子作傳

5、熱面，抽汽進入熱網(wǎng)加熱器殼 內(nèi)，在管子外面流過，網(wǎng)路給水在熱網(wǎng)水泵的作用下進入水室流進管系中的換熱管內(nèi)，吸收在換熱管外逆向流動的加熱蒸汽凝結放熱的熱量，使網(wǎng)路給水達到供熱所需的溫度。2熱網(wǎng)加熱器結構選型設計熱網(wǎng)加熱器從外形上分，可分為立式和臥式。收稿日期:作者簡介:修訂日期:2014 04 152014 05 10按換熱器的結構形式分可分為固定管板式、U 型江號葉( 1979 ) ，男，工程師，學士學位，畢業(yè)于蘭州理工大學過 程裝備與控制專業(yè) ，現(xiàn) 從 事 輔 機容器設計開發(fā)工作。管式、填料函式。圖 1 立式直管熱網(wǎng)加熱器外形圖應用能源技術2014 年第 6 期( 總第 198 期)342 1

6、立式熱網(wǎng)加熱器換熱面積小 于 500 m2 以 下 的 加 熱 器，多 采 用立式結 構。推薦采用固定管板式換熱 器。 采 用固定管板式換熱器，維 修 簡 便。在 運 行 中，換 熱管因振動而 破 損 泄 露，可以更換換熱管，不 會 減少換熱面積。如果熱網(wǎng)給水水質(zhì)較差，易產(chǎn)生 污垢，直 管 較 易 清 洗，不會降低傳熱系數(shù)。主 要 由上 水 室、管 系、下水室和懸掛支座組成。上 水管 板 材 料 采 用 P355GH，筒 體 材 料 采 用Q245、Q345。膨脹節(jié)采用不銹鋼。換 熱 管 多采用 黃 銅 管: 牌 號 有 H68A、HSn70 1A、H85A。 由于 H85A 有良好的抗應力腐

7、蝕性能，現(xiàn)已得到 越來越多的采用。有的電廠也有采用不銹鋼管和 碳鋼管的。上、下水室、封頭、筒身材料采用與管 系筒體相同 的 材 料，設 備 法 蘭 采 用 16Mn、Q345 或 P355GH。室一般由碳鋼板制成的筒身、封頭、進出水管、分2 2臥式熱網(wǎng)加熱器換熱面積在 1 000 m2 以上時多采用 臥 式 熱流程隔板和設備法蘭組成。 設備法蘭用于與管 系的連 接。管 系 由 上、下 管 板、隔 板、管 系 外 殼、網(wǎng)加熱器。臥式熱網(wǎng)加熱器的結構形式主要有 進汽管和與上下管板連接的換熱管組成。 為 了補償設備運行時，換熱管和筒體因壁溫、材料、膨 脹系數(shù)不同而引起的膨脹差，管系外殼采用波形 膨脹

8、節(jié)結構。下水室由封頭、分流程隔板和設備 法蘭組成。設備法蘭用于和管系 的 連 接，如 圖 1 所示。固定管板 式、U 型 管 式。 較 少采用填料函式或 浮頭式。固定管板式熱網(wǎng)加熱器主要由左水室、管系、右水室和疏水罐組成。左水室由筒身、封頭、分流 程隔板、穩(wěn)流板、進出水管組成。為了方便檢修， 在水室 上 焊 有 DN600 的 人 孔。 管 系 由 左、右 管板、隔板、管板連接的換熱管、管系外殼和支座等組成。采用固定管板換熱器的優(yōu)點: 便于換管而不 減少換熱面積; 易于清洗管子內(nèi)污垢而不降低傳 熱系數(shù)。為了補償設備運行時，換熱管和筒體因壁溫、 材料、膨脹系數(shù)不同而引起的膨脹差，管系外殼采 用波

9、形膨脹節(jié)結構。由于換熱管數(shù)量較多，為了 提高 傳 熱 效 率，可在管系內(nèi)設置多條蒸汽通道。 右水室由大法蘭和封頭裝焊而成，為了便于檢修， 在右水室上裝有人孔。為防止因溫差影響而引起 管殼變形，熱網(wǎng)加熱器殼體下部沒有疏水罐，如圖2 所示。2014 年第 6 期( 總第 198 期)應用能源技術35圖 2 直管熱網(wǎng)加熱器管板材料為 20MnMo，換熱管材料一般為不銹鋼。根據(jù)熱網(wǎng)給水的氯離子含量不同采用低碳 不銹鋼或超低碳不銹鋼。也有采用碳鋼管，但很 少采用 黃 銅 管 的。筒 體、封 頭 材 料 為 Q345 或 Q245。法蘭材料為 Q345、P355GH。U 型管式熱網(wǎng)加熱器主要由水室、管子、

10、疏水罐 和支座等組成。水室由筒身、封頭、分流程隔板、穩(wěn) 流板、進出水管等組成。為了方便檢測，在水室上裝 焊有 DN600 的人孔。管系由管板、隔板、與管板連 接的 U 型換熱管及管系外殼等組成。采用 U 型 管 式 的 優(yōu) 點: 減 少 一 塊 管 板，降 低設備的重量和造價; 減少一塊管板，即減少一半的管子和管板 前 端焊接工作量同時也降低了泄漏 點。為了補償設備運行時，由于換熱管和筒體因壁溫及材料線膨脹系數(shù)不同而引起的膨脹差，管 系外殼 還可采用波型膨脹節(jié)結構。如 加 熱 器 較 長，為使加熱器內(nèi)的蒸汽分配更均勻，并縮小開孔 直徑以降低應力集中，可考慮兩個進汽口。換熱 管材料采用不銹鋼，增

11、加耐腐蝕性。為防止因溫 度影響而引起管殼變形，熱網(wǎng)加熱器下部設有疏 水罐，如圖 3 所示。圖 3 U 管熱網(wǎng)加熱器管板材料為 20MnMo。換熱管材料一般為不銹鋼。筒體、封頭材料為 Q245 或 Q345。法蘭材料為 Q345、P355GH。應用能源技術2014 年第 6 期( 總第 198 期)36熱網(wǎng)加熱器性能及主要技術參數(shù)在額定工況下，熱網(wǎng)加熱器的終端溫度應達 到設計要求。設計的終端溫度一般為: 汽水熱 網(wǎng)加熱器( 當沒有過熱蒸汽冷卻段時) ，不小于 5 。水水熱網(wǎng)加熱器，不小于 10 。當系統(tǒng)另 有要求時，設計終端溫度應滿足系統(tǒng)的要求。在額定工況下，被加熱水的出口溫度偏差不 小于設計出

12、口溫度的 10% ，且不大于 10 。以某熱力發(fā)電廠 J 3300 為例，其主要技術 參數(shù)數(shù)據(jù)見表 1。式中: 為加熱器的熱效率，一般 = 0 98; G 為加熱介質(zhì)的流量，kg / h; h1 、h2 為加熱介質(zhì)的入、出口 熱焓 kJ / kg。對數(shù)平均溫差:3t1 t2=。tt1ln t2式中: t1 、t2 為兩端溫差，溫差大的為 t1 ，溫差小的為 t2 ?？倐鳠嵯禂?shù) K 大致范圍W / ( m2 ·) 表 2表 1主要技術參數(shù)傳熱區(qū)段名稱熱交換流體K 的大致范圍項目單位數(shù)據(jù)過熱蒸汽冷區(qū)段飽和蒸汽冷區(qū)段過熱蒸汽至給水冷凝蒸汽至給水350 12002300 4600型號型式 加

13、熱器熱交換面積 加熱器換熱系數(shù) 凝結段熱交換面積 疏水冷卻段熱交換面積 殼側設計壓力 殼側設計溫度 管側設計壓力 管側設計溫度 殼側最大允許壓降 管側最大允許壓降 管側流速蒸汽進口流速 疏水出口管內(nèi)流速 給水端差 熱網(wǎng)循環(huán)水流量 蒸汽流量疏水流量 管子根數(shù) 材料管徑 × 壁厚管子流程J 3300臥式3 3002 2703 202980 63402 41500 0350 11 5451 1552 0102002002 530TP316L19 × 1 22疏水冷卻段疏水至給水800 2800m2w / m2 m2m2MPa MPa MPa MPa m / s m / s m /

14、 s t / h t / h t / h 根 傳熱面積 A( m2 ) 可按下式確定:QA =。t × K4 2選擇適當型號的熱網(wǎng)加熱器，選擇流體的流速以確定管程數(shù)和折流板間距在額定工況及被加熱水平均溫度 ( 進出口溫 度的算術平 均 值) 下，通過換熱管內(nèi)被加 熱 水 的 設計平均流速，不應超過下表規(guī)定( m / s)表 3管材管內(nèi)極限流速不銹鋼銅鎳合金 海軍銅和銅 碳鋼3 02 72 62 4根據(jù)選定的管內(nèi)流速、管程數(shù)、接管規(guī)格，在給定的給水流量下，可按下式計算管子數(shù)量 n:mmD2Q vn2m44 1設計計算步驟及設計要點計算傳熱量及逆流對數(shù)平均溫度差。估計 總傳熱系數(shù)，計算傳

15、熱面積 傳熱量是加熱器被加熱的介質(zhì)單位時間內(nèi)所n= 1 000× 3 600c。4式中: D 管子內(nèi)徑，mm;通過管子的介質(zhì)質(zhì)量Qnm流量，kg / h; v 介質(zhì)的比容，m3 / kg; c 為管內(nèi)介質(zhì)的允許流速，m / s。求的管子數(shù)量后，管子長度 L 可按下式計算:吸收的熱量，也是加熱器介質(zhì)單位時間內(nèi)所放出的熱量。AL =。= G( h1 h2 ) 。nDoQ2014 年第 6 期( 總第 198 期)應用能源技術37式中: A 為換熱面積，mm2 ; 為管子外徑，mm。D4 5計算管、殼程阻力損失按額定工況設計時，熱網(wǎng)加熱器內(nèi)三段均有o在計算管子數(shù)量和管子長度時，首先要選定管

16、內(nèi)流速，流體的流速直接影響對流傳熱系數(shù)，而 且與污垢熱阻有關，因而影響總的傳熱系數(shù)。特 別對于含有泥沙等易沉積顆粒的給水，流速過低 可能導致管路堵塞，影響設備的正常使用，所以選 定流速特別重要，在選定管內(nèi)流速時需要綜合考 慮各方面因素，選取合適的管內(nèi)流速。4 3 核算總傳熱系數(shù)分別計算流經(jīng)管程和殼程中流體的對流傳熱 系數(shù)，確定污垢熱阻，求出總傳熱系數(shù)，并與估算 時所選用的總傳熱系數(shù)進行比較。如果兩者相差 較多，則應重新估算傳熱面積和和選定合適型號 的熱網(wǎng)加熱器，重復 4 2、4 3 兩項計算，直至前后 的傳熱系數(shù)數(shù)值相近為止。時，其殼程總壓力損失不應超過 0 1 MPa，且任一區(qū)段的壓 力 損

17、 失: 對凝結放熱段不應超過 0 02MPa，對對流放熱段不應超過 0 05 MPa。管程總壓力損失: 汽水熱網(wǎng)加熱器，一般不 應超過 0 12 MPa; 水水熱網(wǎng)加熱器一般不應超 過 0 029 MPa。影響壓力降大小的因素很多，與介質(zhì)流速的 關系較大，增加介質(zhì)的流速，可增大傳熱系數(shù)，使 加熱器結構緊湊，但增加流速將增大加熱器的壓 力降，并使腐蝕和振動破壞加劇等，壓力降得增加 又使動力消耗增加。因此加熱器的設計過程中壓 力降的限制是十分有必要的。5主要附件介紹熱網(wǎng)加熱器設有安全保護系統(tǒng)和自動水位調(diào)1K =。d0×d0×11+ + 節(jié)系統(tǒng)。安全保護系統(tǒng)主要由壓力表、溫度計、

18、電接點液位信號器、安全閥、危急疏水閥等組成。自 動水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由平衡容器、調(diào)節(jié)閥、熱網(wǎng)水 泵、差壓變送器等組成。12a1a2didi式中: 為管壁 厚 度; 為管壁的導熱系數(shù); a1 為管外放熱系數(shù); a2 為管內(nèi)放熱系數(shù); 1 為管外側 附加污垢熱阻; 2 為管內(nèi)側污垢熱阻; d0 為換熱管外徑; di 為換熱管內(nèi)徑。熱網(wǎng)加熱器使用一個時期后，傳熱速率會下 降很多，這往往是由于傳熱面積有污垢積存的結果。所以計算 K 值 時，污垢熱阻一般不可忽略。 污垢層的厚度及其導熱系數(shù)不易估計，通常是根 據(jù)經(jīng)驗估定污垢熱阻，作為計算的依據(jù)。若流體容易結垢，加熱器使用一段時間后，污垢熱阻往往 會增加到使傳熱速率嚴重下降。所以具備清洗條件的加熱器要根據(jù)具體工作條件，定期清洗。熱網(wǎng)加熱器中的被加熱水是經(jīng)過軟化防腐處 理的水，在換熱管水垢厚度大于等于 0 5 mm 時， 熱網(wǎng)在應進行清洗的條件下，管側水的污垢熱阻 的設計值推薦為 35 2 × 10 5 m2 / W，水蒸汽污 垢熱阻設計值推薦位 8 8 × 10 5 m2 / W。4 4計算傳熱面積根據(jù)核算的 K 值，計算傳熱面積，選用的加熱 器的傳熱面積一般比計算值大 10% 15% 為益。結束語熱網(wǎng)加熱器是熱力系統(tǒng)供 熱機組的重要設 備，設計時要充分考慮設備的安全性和經(jīng)濟