熱網加熱器設計研究

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

熱網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中的網路回水和工業生產等用熱水網路回水的加熱設備[1-2]。按其在熱網中的任務可分為基本熱網加熱器和尖峰熱網加熱器。基本熱網加熱器承擔熱網的基本熱負荷，汽、水側參數均較低。尖峰熱網加熱器承擔熱網的尖峰熱負荷，參數較高[3-4]。

1 工作原理

根據熱力學第二定律：熱量必然自發地從高溫物體轉移到低溫物體。熱網加熱器為表面示加熱器，以管子作傳熱面，抽汽進入熱網加熱器殼內，在管子外面流過，網路給水在熱網水泵的作用下進入水室流進管系中的換熱管內，吸收在換熱管外逆向流動的加熱蒸汽凝結放熱的熱量，使網路給水達到供熱所需的溫度。

2 熱網加熱器結構選型設計

熱網加熱器從外形上分，可分為立式和臥式。按換熱器的結構形式分可分為固定管板式、U型管式、填料函式。

2.1 立式熱網加熱器

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。如果熱網給水水質較差，易產生污垢，直管較易清洗，不會降低傳熱系數。主要由上水室、管系、下水室和懸掛支座組成。上水室一般由碳鋼板制成的筒身、封頭、進出水管、分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、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、膨脹系數不同而引起的膨脹差，管系外殼采用波形膨脹節結構。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。

圖1 立式直管熱網加熱器外形圖

管板材料采用P355GH，筒體材料采用Q245R、Q345R。膨脹節采用不銹鋼。換熱管多采用黃銅管：牌號有H68A、HSn70-1A、H85A。由于H85A有良好的抗應力腐蝕性能，現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、Q345R或P355GH。

2.2 臥式熱網加熱器

換熱面積在1 000 m2以上時多采用臥式熱網加熱器。臥式熱網加熱器的結構形式主要有固定管板式、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點：便于換管而不減少換熱面積; 易于清洗管子內污垢而不降低傳熱系數。

為了補償設備運行時，換熱管和筒體因壁溫、材料、膨脹系數不同而引起的膨脹差，管系外殼采用波形膨脹節結構。由于換熱管數量較多，為了提高傳熱效率，可在管系內設置多條蒸汽通道。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，熱網加熱器殼體下部沒有疏水罐，如圖2所示。

圖2 直管熱網加熱器

管板材料為20MnMo，換熱管材料一般為不銹鋼。根據熱網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Q345R或Q245R。法蘭材料為Q345R、P355GH。

U型管式熱網加熱器主要由水室、管子、疏水罐和支座等組成。水室由筒身、封頭、分流程隔板、穩流板、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不同而引起的膨脹差，管系外殼還可采用波型膨脹節結構。如加熱器較長，為使加熱器內的蒸汽分配更均勻，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，增加耐腐蝕性。為防止因溫度影響而引起管殼變形，熱網加熱器下部設有疏水罐，如圖3所示。

圖3 U管熱網加熱器

管板材料為20MnMo。換熱管材料一般為不銹鋼。筒體、封頭材料為Q245R或Q345R。法蘭材料為Q345R、P355GH。

3 熱網加熱器性能及主要技術參數

在額定工況下，熱網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—水熱網加熱器(當沒有過熱蒸汽冷卻段時)，不小于5 ℃。水—水熱網加熱器，不小于10 ℃。當系統另有要求時，設計終端溫度應滿足系統的要求。

在額定工況下，被加熱水的出口溫度偏差不小于設計出口溫度的10%，且不大于10 ℃。

以某熱力發電廠JR-3300為例，其主要技術參數數據見表1。

表1 主要技術參數

4 設計計算步驟及設計要點

4.1 計算傳熱量及逆流對數平均溫度差。估計總傳熱系數，計算傳熱面積

傳熱量是加熱器被加熱的介質單位時間內所吸收的熱量，也是加熱器介質單位時間內所放出的熱量。

Q=ηG(h1-h2)。

式中：η為加熱器的熱效率，一般η=0.98；G為加熱介質的流量，kg/h；h1、h2為加熱介質的入、出口熱焓kJ/kg。

對數平均溫差：

式中：t1、t2為兩端溫差，溫差大的為t1，溫差小的為t2。

總傳熱系數K大致范圍[W/(m2·℃)]

表2

傳熱面積A(m2)可按下式確定：

4.2 選擇適當型號的熱網加熱器，選擇流體的流速以確定管程數和折流板間距

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，通過換熱管內被加熱水的設計平均流速，不應超過下表規定(m/s)

表3

根據選定的管內流速、管程數、接管規格，在給定的給水流量下，可按下式計算管子數量n：

式中：Dn管子內徑，mm；Qm通過管子的介質質量流量，kg/h；v介質的比容，m3/kg；c為管內介質的允許流速，m/s。

求的管子數量后，管子長度L可按下式計算：

式中：A為換熱面積，mm2；Do為管子外徑，mm。

在計算管子數量和管子長度時，首先要選定管內流速，流體的流速直接影響對流傳熱系數，而且與污垢熱阻有關，因而影響總的傳熱系數。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，在選定管內流速時需要綜合考慮各方面因素，選取合適的管內流速。

4.3 核算總傳熱系數

分別計算流經管程和殼程中流體的對流傳熱系數，確定污垢熱阻，求出總傳熱系數，并與估算時所選用的總傳熱系數進行比較。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加熱器，重復4.2、4.3兩項計算，直至前后的傳熱系數數值相近為止。

式中:δ為管壁厚度;λ為管壁的導熱系數;a1為管外放熱系數；a2為管內放熱系數;R1為管外側附加污垢熱阻；R2為管內側污垢熱阻；d0為換熱管外徑；di為換熱管內徑。

熱網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不易估計，通常是根據經驗估定污垢熱阻，作為計算的依據。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具體工作條件，定期清洗。

熱網加熱器中的被加熱水是經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35.2×10-5m2℃/W，水蒸汽污垢熱阻設計值推薦位8.8×10-5m2℃/W。

4.4 計算傳熱面積

根據核算的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。

4.5 計算管、殼程阻力損失

按額定工況設計時，熱網加熱器內三段均有時，其殼程總壓力損失不應超過0.1 MPa,且任一區段的壓力損失：對凝結放熱段不應超過0.02 MPa,對對流放熱段不應超過0.05 MPa。

管程總壓力損失：汽—水熱網加熱器，一般不應超過0.12 MPa;水—水熱網加熱器一般不應超過0.029 MPa。

影響壓力降大小的因素很多，與介質流速的關系較大，增加介質的流速，可增大傳熱系數，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

熱網加熱器設有安全保護系統和自動水位調節系統。安全保護系統主要由壓力表、溫度計、電接點液位信號器、安全閥、危急疏水閥等組成。自動水位調節系統主要由平衡容器、調節閥、熱網水泵、差壓變送器等組成。

6 結束語

熱網加熱器是熱力系統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濟性，在保證設備安全的前提下，應該使加熱設備的傳熱速率盡可能增大，力求較少的傳熱面積或體積較小的設備來完成同樣的傳熱任務。合理的介質流速、緊湊合理的結構設計、參數的選取等是設計中的重點，應該加以重視。

[1] 宋漢武.火力發電設備技術手冊 第四卷 火電站系統與輔機[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網監控系統的設計與實現[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[3] 譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理[M].北京:化學工業出版社,2001.

[4] 中華人民共和國機械行業標準.JB/T 7837-1995 熱網加熱器.