摘要：传统的管壳式换热器传热系数低、占地面积大、且维修不便;钎焊式板式换热器和激光全焊接式板式换热器设备购置成本高,且不可拆检;而可拆式板式换热器适用温度又有限,介绍了在可拆式板式换热器前加减温装置的方案在加热载体为高温蒸汽的换热站的成功应用。
为装置区内控制中心、化验楼、变配电楼和部分泵房及加药间等冬季供暖的换热站原来一直采用管壳式换热器。加热载体为1.1MPa、230℃的蒸汽;供暖载体为热水,供水温度为92℃,回水温度为70℃,供水压力为0.5MPa、回水压力为0.14MPa。因原管壳式换热器设备陈旧,维修量大,并且蒸汽的消耗量有逐年递增的趋势。于是在2006年大修期间,将原管壳式换热器改造成板式换热器。

        1　板式换热器

        板式换热器(plateheatexchangers,简称PHE)是一种新型高效换热器。其发明始于187年,最初主要用于食品工业,后来逐渐扩大至造纸、医药、冶金、矿山、机械制造、电力、船舶、采暖及石油化工等其它工业领域。目前世界较知名的板式换热器生产厂家有瑞典的Alfa- laval(阿法拉伐)、SWEP(舒瑞普)、德国的GEA公司、英国的APV、日本的Hisaka(日版制作所)等。板式换热器由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成,由于其特殊结构,使得板式换热器具有以下优点[1]。

        1.1　总传热系数高,设备占地面积小

        板式换热器的板片一般制成槽形或波纹形,介质在流道内的流动呈复杂的三维流动结构,其流动方向及流动速度均不断变化,造成很大的扰动,在低雷诺数 (一般Re=50~200)下即可诱发湍流(而列管式换热器则要求雷诺数达到2000以上)。由于大的扰动减薄了液膜的厚度,可防止杂质在传热面上沉积粘附,从而减小污垢热阻,加之板片厚度仅0.6~0.8mm,热阻较小,另外在板式换热器中,冷热流体分别从板片的两侧通过,流体流道较小,不会出现象管壳式换热器那样的旁路流,故总传热系数较高。若以水/水为传热介质,板式换热器的总传热系数可达8360~25080kJ/m2·h·℃为管壳式换热器传热系数的3~5倍,但其设备体积仅为管壳式换热器的30%左右。

        1.2　传热效率高

        板式换热器的传热效率非常高,国际上已有多家公司能提供最小对数平均温差△Tm=1℃的板式换热器产品。但冷热物流最小对数平均温差过小将导致换热器的换热面积很大,从工程应用角度而言并不经济。

        1.3　对数平均温差大

        提高传热对数平均温差是强化传热效果的重要手段。流体的流动方向和方式都会影响对数平均温差。板式换热器内流体的流动总体上呈并流或逆流的方式, 其传热平均温差的修正系数通常为0.95左右。而在管壳式换热器中,两种流体分别在壳程和管程内流动,总体上是错流的流动方式,即在壳程为混合流动,在管程为多股流动,所以传热平均温差的修正系数一般较小(约0.8左右)。

        1.4　组装灵活,操作弹性大,使用维修方便板式换热器由若干张板片组装而成,只需增、减板片的数量即可方便地调节换热面积的大小,因此使用非常灵活,操作弹性大,并且不象管壳式那样,需要预留出很大的空间用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆,即可在原空间范围内100%地接触倒换热板的表面,维修方便。

        2　板式换热器的适用条件及应用于换热站的实施方案

板式换热器虽然具有以上优点,但它并不能完全取代管壳式换热器。一方面是因为板式换热器对介质的洁净程度要求较高,它要求介质中杂质颗粒直径小于 1.5~2mm;另一方面是因为早期的板框式换热器(俗称可拆式板式换热器)只能适用于工作压力小于1.6MPa、工作温度介于120~165℃之间的工况。

        因换热站热源采用的是1.1MPa;230℃的过热蒸汽,受密封垫片的耐温限制(普通EPDM垫片耐温150℃,耐高温的EPDM垫片耐温为 180℃,耐高温PTFE垫片耐温也仅为220℃,且价格昂贵,为耐高温EPDM垫片的8倍左右),故传统可拆式板式换热器不适用于该工况要求。

        如采用钎焊式板式换热器或激光全焊接式板式换热器,设备购置成本大(约是可拆式板式换热器价格的3~5倍),且不可拆卸,不便于维修。

        所以,最终采用在传统可拆式板式换热器前加减温装置的方案,在此方案中,采用传热效率较低,但耐温等级较高的管壳式换热器作为蒸汽减温器,利用一部分供暖回水(约占总回水流量的10%左右)将过热蒸汽降到150~180℃,之后,进入板式换热器将剩余部分的供暖回水进行加热,此方案充份利用了两种热交换器的优势,同时采暖水侧采用并联的运行方式,较串联方式更有效地减小了压力降,更加节能,见图1。

        3　主要操作参数

        主要操作参数见表1。

        4　技术分析

        4.1　占地面积

        板式换热器的结构极为紧凑,并且减温装置体积较小(φ300;L=1500),布置在板式换热器上方,与板式换热器有机的结合成一体,所占地面积仅为管壳式换热器的1/4左右。

        4.2　维修工作量

        改造前,每个运行周期后,因管壳式换热器内结垢,换热效果明显降低,都需要拆检、清洗管壳式换热器,并且在维修时,需要拆保温、抽芯等工作量。改造后运行了两个周期后才拆检了一次,并且拆装很方便,只需要松开夹紧螺杆,露出板片,即可进行清洗。

        4.3　压力损失

        在供暖载体流量相等的情况下,经过换热器的压降明显降低,供水压力由原来的1.4MPa提高到了1.6MPa。

        4.4　蒸汽消耗量

        蒸汽的消耗量明显降低,由原来的1.11kg/s下降到0.97kg/s,每小时节约蒸汽:(1.11-0.97)×3600/1000=0.504t。

        4.5　换热效果

        在蒸汽的消耗量降低的情况下,传热量却大大提高,供水温度由原来的92℃提高到95℃。

        5　效益分析

        5.1　维修费用

        拆检原管壳式换热器,拆装保温,抽芯,清洗等费用合计:5000元,检修板式换热器及减温装置费用合计:1000元。改造前每个运行周期检修1次,而改造后每两个运行周期检修1次。所以,改造后每个运行周期能节省检修费用：5000-1000/2=4500元

        5.2　蒸汽费用

        每小时节约蒸汽0.504,t按每个运行周期5个月计算,每个运行周期能够节约蒸汽:0.504×24×30×5=1814.4t
        按蒸汽费用120元/t计算,每个运行周期能够节省蒸汽费用:1814.4×120=217728元。

        5.3　总节约费用

        改造前后每个运行周期节约费用合计:217728+4500=222228元

        6　结语

        经过两个周期的实际运行证明,用可拆式板式换热器前加减温装置取代传统的管壳式换热器,运行可靠,其实际运行参数达到了设计要求,相对于钎焊式板式换热器或激光全焊接式板式换热器,大大降低了总投资,并且与传统的管壳式换热器相比较,又能大大的降低换热站能耗及维修费用。