摘要：傳統的管殼式換熱器傳熱系數低、占地面積大、且維修不便;釬焊式板式換熱器和激光全焊接式板式換熱器設備購置成本高,且不可拆檢;而可拆式板式換熱器適用溫度又有限,介紹了在可拆式板式換熱器前加減溫裝置的方案在加熱載體為高溫蒸汽的換熱站的成功應用。
為裝置區內控制中心、化驗樓、變配電樓和部分泵房及加藥間等冬季供暖的換熱站原來一直采用管殼式換熱器。加熱載體為1.1MPa、230℃的蒸汽;供暖載體為熱水,供水溫度為92℃,回水溫度為70℃,供水壓力為0.5MPa、回水壓力為0.14MPa。因原管殼式換熱器設備陳舊,維修量大,并且蒸汽的消耗量有逐年遞增的趨勢。于是在2006年大修期間,將原管殼式換熱器改造成板式換熱器。

        1　板式換熱器

        板式換熱器(plateheatexchangers,簡稱PHE)是一種新型高效換熱器。其發明始于187年,最初主要用于食品工業,后來逐漸擴大至造紙、醫藥、冶金、礦山、機械制造、電力、船舶、采暖及石油化工等其它工業領域。目前世界較知名的板式換熱器生產廠家有瑞典的Alfa- laval(阿法拉伐)、SWEP(舒瑞普)、德國的GEA公司、英國的APV、日本的Hisaka(日版制作所)等。板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成,由于其特殊結構,使得板式換熱器具有以下優點[1]。

        1.1　總傳熱系數高,設備占地面積小

        板式換熱器的板片一般制成槽形或波紋形,介質在流道內的流動呈復雜的三維流動結構,其流動方向及流動速度均不斷變化,造成很大的擾動,在低雷諾數 (一般Re=50~200)下即可誘發湍流(而列管式換熱器則要求雷諾數達到2000以上)。由于大的擾動減薄了液膜的厚度,可防止雜質在傳熱面上沉積粘附,從而減小污垢熱阻,加之板片厚度僅0.6~0.8mm,熱阻較小,另外在板式換熱器中,冷熱流體分別從板片的兩側通過,流體流道較小,不會出現象管殼式換熱器那樣的旁路流,故總傳熱系數較高。若以水/水為傳熱介質,板式換熱器的總傳熱系數可達8360~25080kJ/m2·h·℃為管殼式換熱器傳熱系數的3~5倍,但其設備體積僅為管殼式換熱器的30%左右。

        1.2　傳熱效率高

        板式換熱器的傳熱效率非常高,國際上已有多家公司能提供最小對數平均溫差△Tm=1℃的板式換熱器產品。但冷熱物流最小對數平均溫差過小將導致換熱器的換熱面積很大,從工程應用角度而言并不經濟。

        1.3　對數平均溫差大

        提高傳熱對數平均溫差是強化傳熱效果的重要手段。流體的流動方向和方式都會影響對數平均溫差。板式換熱器內流體的流動總體上呈并流或逆流的方式, 其傳熱平均溫差的修正系數通常為0.95左右。而在管殼式換熱器中,兩種流體分別在殼程和管程內流動,總體上是錯流的流動方式,即在殼程為混合流動,在管程為多股流動,所以傳熱平均溫差的修正系數一般較小(約0.8左右)。

        1.4　組裝靈活,操作彈性大,使用維修方便板式換熱器由若干張板片組裝而成,只需增、減板片的數量即可方便地調節換熱面積的大小,因此使用非常靈活,操作彈性大,并且不象管殼式那樣,需要預留出很大的空間用來拉出管束檢修。而板式換熱器只需要松開夾緊螺桿,即可在原空間范圍內100%地接觸倒換熱板的表面,維修方便。

        2　板式換熱器的適用條件及應用于換熱站的實施方案

板式換熱器雖然具有以上優點,但它并不能完全取代管殼式換熱器。一方面是因為板式換熱器對介質的潔凈程度要求較高,它要求介質中雜質顆粒直徑小于 1.5~2mm;另一方面是因為早期的板框式換熱器(俗稱可拆式板式換熱器)只能適用于工作壓力小于1.6MPa、工作溫度介于120~165℃之間的工況。

        因換熱站熱源采用的是1.1MPa;230℃的過熱蒸汽,受密封墊片的耐溫限制(普通EPDM墊片耐溫150℃,耐高溫的EPDM墊片耐溫為 180℃,耐高溫PTFE墊片耐溫也僅為220℃,且價格昂貴,為耐高溫EPDM墊片的8倍左右),故傳統可拆式板式換熱器不適用于該工況要求。

        如采用釬焊式板式換熱器或激光全焊接式板式換熱器,設備購置成本大(約是可拆式板式換熱器價格的3~5倍),且不可拆卸,不便于維修。

        所以,最終采用在傳統可拆式板式換熱器前加減溫裝置的方案,在此方案中,采用傳熱效率較低,但耐溫等級較高的管殼式換熱器作為蒸汽減溫器,利用一部分供暖回水(約占總回水流量的10%左右)將過熱蒸汽降到150~180℃,之后,進入板式換熱器將剩余部分的供暖回水進行加熱,此方案充份利用了兩種熱交換器的優勢,同時采暖水側采用并聯的運行方式,較串聯方式更有效地減小了壓力降,更加節能,見圖1。

        3　主要操作參數

        主要操作參數見表1。

        4　技術分析

        4.1　占地面積

        板式換熱器的結構極為緊湊,并且減溫裝置體積較小(φ300;L=1500),布置在板式換熱器上方,與板式換熱器有機的結合成一體,所占地面積僅為管殼式換熱器的1/4左右。

        4.2　維修工作量

        改造前,每個運行周期后,因管殼式換熱器內結垢,換熱效果明顯降低,都需要拆檢、清洗管殼式換熱器,并且在維修時,需要拆保溫、抽芯等工作量。改造后運行了兩個周期后才拆檢了一次,并且拆裝很方便,只需要松開夾緊螺桿,露出板片,即可進行清洗。

        4.3　壓力損失

        在供暖載體流量相等的情況下,經過換熱器的壓降明顯降低,供水壓力由原來的1.4MPa提高到了1.6MPa。

        4.4　蒸汽消耗量

        蒸汽的消耗量明顯降低,由原來的1.11kg/s下降到0.97kg/s,每小時節約蒸汽:(1.11-0.97)×3600/1000=0.504t。

        4.5　換熱效果

        在蒸汽的消耗量降低的情況下,傳熱量卻大大提高,供水溫度由原來的92℃提高到95℃。

        5　效益分析

        5.1　維修費用

        拆檢原管殼式換熱器,拆裝保溫,抽芯,清洗等費用合計:5000元,檢修板式換熱器及減溫裝置費用合計:1000元。改造前每個運行周期檢修1次,而改造后每兩個運行周期檢修1次。所以,改造后每個運行周期能節省檢修費用：5000-1000/2=4500元

        5.2　蒸汽費用

        每小時節約蒸汽0.504,t按每個運行周期5個月計算,每個運行周期能夠節約蒸汽:0.504×24×30×5=1814.4t
        按蒸汽費用120元/t計算,每個運行周期能夠節省蒸汽費用:1814.4×120=217728元。

        5.3　總節約費用

        改造前后每個運行周期節約費用合計:217728+4500=222228元

        6　結語

        經過兩個周期的實際運行證明,用可拆式板式換熱器前加減溫裝置取代傳統的管殼式換熱器,運行可靠,其實際運行參數達到了設計要求,相對于釬焊式板式換熱器或激光全焊接式板式換熱器,大大降低了總投資,并且與傳統的管殼式換熱器相比較,又能大大的降低換熱站能耗及維修費用。