汽水換熱器的設計及振動的消除措施

宋菊花

（大慶石化公司機械廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

某石化公司熱電廠換熱站還建項目中6臺汽水換熱器和3臺水水換熱器串聯安裝，其主要功能是用0.85～1.2 MPa水蒸汽加熱“采暖水”從90 ℃達到127 ℃或150 ℃（對應設計和校核兩種工況）。蒸汽在汽水換熱器中要全部冷凝之后進入水水換熱器，凝結水出口的最終溫度不超過95 ℃。將加熱后的采暖水作為熱源，使其對廠區高溫水站進行換熱。該流程通過控制殼程冷凝水的流出量來調節蒸汽的進入量，從而調整整個流程的換熱負荷。

1 設計情況

按照工程總承包單位和用戶的要求，確定兩組換熱器均采用固定管板結構。在汽水換熱器設計上使蒸汽流經殼程并達到全部冷凝，“采暖水”流經管程。水水換熱器與汽水換熱器為串聯流程，水水換熱器中采暖水流經管程，凝結蒸汽水流經殼程[1]。按照設計慣例，管程“采暖水”的接管下進上出，殼程蒸汽和蒸汽凝結水的進出口接管上進下出。而由于出現振動報警，汽水換熱器的殼程接管調整為側面進、下面出。通過使用HTRI換熱器設計軟件計算[2]，最終確定兩組換熱器的換熱管長度為6 m，殼徑為1000 mm。

1.1 振動的分析和消除

汽水換熱器由于殼程為汽液兩相流動，故折流板按垂直方向切口，流體為左右方向折流。當蒸汽進口設在頂部時，用HTRI進行振動校核，汽水換熱器在入口區域出現振動報警提示。這個原因可能是蒸汽從頂部進入之后又轉向左右方向流動，高流速的蒸汽形成的太復雜的三維流場使得進口區域產生振動。通過小的調整都不能消除換熱器的這種振動問題。當把入口接管從頂部改到側面時，該振動被消除了。因此，確定了汽水換熱器采用了一種非常規的接管方式的設計方案。汽水換熱器整體結構布局圖如圖1所示。

圖1 汽水換熱器整體結構布局圖

1.2 水擊振動的可能性和預防

對于換熱器的蒸汽入口設在側面的設計，在進行設計審查時，擔心在某些（如換熱負荷較小，并且凝結水出現滯留）情況下，殼體內液位可能會升得很高，側面進入的蒸汽可能會形成沖擊從而產生振動、噪聲或者是水擊等后果。

應用HTRI對設置側面蒸汽入口的情況進行分析，結果表明：在設備正常運行時，設備內凝結水液面在換熱管間并不是水平的，從入口區域到出口區域有著全汽到全液的變化，入口區域幾乎都是蒸汽，僅有少量的凝結水。分布如圖2所示。

圖2 HTRI殼程凝液分析頁面

此設備殼程側入口規格為DN350，出口為DN200，正常運行時凝結水是不會出現滯留的。當系統以較極端的50%負荷工況運行時，切除2臺蒸汽加熱器，減少并聯運行設備的臺位，其運行的設備狀態與正常運行時相似。因此，設置側面入口的設備在正常運行時，入口附近不會有很多凝結液積存，不會產生汽流對高液位產生的額外的水擊振動。

1.3 設計上采取的其他防振措施

此蒸汽加熱器在殼程水平入口處用兩排防沖桿代替常規防沖板，使入口的高速汽流有更好的分布，防沖擋桿孔規格如圖3所示。在入口正對著接管部位加裝了一塊支撐導流，縮小了入口區間換熱管的無支撐跨距；還使用了可變折流板間距，使入口附近的板間流速趨于均衡，這些措施都改善了入口附近的蒸汽流動，減緩了氣流沖擊振動。

圖3 防沖擋桿孔規格圖

2 換熱器的防振設計

汽體物料在大體積流量以高流速換熱時，是非常容易使換熱器產生振動進而導致損壞的，因此對這6臺換熱器的進行了防振設計。

1）這里的汽水換熱器殼程進入的蒸汽從過熱狀態冷卻到過冷水狀態，在整個換熱中經歷了汽、水兩相的過程。首先遵循GB/T 151-2014《熱交換器》標準要求，折流板采用垂直缺口介質左右折流，有利于汽、液的充分流動、換熱，避免形成死區。

2）為了減緩入口沖擊，加強防振效果，在殼體蒸汽入口處，沒有采用常規的板式防沖擋板，而是設計了雖然結構較復雜但性能更好的雙排實心防沖擋桿結構。同時進口區域留足了馬鞍形空間。這里使用防沖擋桿結構增大了蒸汽的流通面積，又充分減緩了進入的汽流對換熱管和鄰近介質的直接沖擊。

3）對于換熱器設備殼程的進出口接管，在管線設計上也采用了足夠的口徑。進口選用了DN350，出口選用了DN200的接管，有利于物料的進入和流出。

4）該換熱器之所以在設計上采用殼側蒸汽側入的方式，而沒有采用蒸汽頂部進入的方式，是根據HTRI軟件振動分析結果確定的。當頂部進入時，振動報警，而水平進入則無問題。這可能是由于蒸汽從側面進入后會直接形成左右折流的流動換熱；而從頂部進入之后，上下流動要轉換成左右流動，流場更復雜，更易發生振動。校核工況的HTRI分析結果符合換熱器減振的設計要求[3]。

3 低負荷工況下HTRI換熱計算軟件對殼體液位的模擬情況

HTRI軟件是國內外通用的獲得廣泛認可的進行換熱器工藝計算的專業軟件。該軟件可以進行各種情況下的振動和噪聲分析。

3.1 正常運行工況下殼程蒸汽冷凝的比例關系

在設備正常工況運行時，殼程從進口的100%比例的蒸汽通過換熱會轉換到出口的100%比例的凝液。對應面積余量最大為64%的校核工況，殼程汽、液量的模擬曲線如圖4所示。

圖4 校核工況下殼側凝液形成量的體積比例關系模擬圖

3.2 給定條件下沖擊情況

在給定的條件下，采暖水為2706 t/h并由90 ℃升溫到127 ℃時，HTRI軟件計算得到這是面積余量最大的工況，假設多余的面積被水平的液面淹沒掉，這也就是液面最高的工況。經過核算，在63%面積余量時，應淹沒約280根管，此時液位高度約為400 mm，即蒸汽入口接管DN350口徑范圍下部23%高度被淹沒，上部73%高度是汽態的，此時進入汽流不會對液面形成明顯沖擊。

而在實際操作中還可通過調整投用換熱器的數量來降低面積余量，從而會避開所擔心的高液面。

3.3 在50%負荷下殼程液位的模擬

通過計算面積余量來計算液位高度[4]。當設備在50%負荷工況下運行時，有兩種操作情況：一是溫差不變，采暖水流量降低50%；二是采暖水流量不變，加熱溫差降低50%。

對應加熱溫差不變，采暖水流量降低50%的工況，可正常使用2臺設備并聯工作，此時二用四停，運行換熱器的工作情況與原流量的4臺換熱器相同。按最苛刻的校核工況，其面積余量仍為64%，液位仍為23%。因而，在該負荷工況下，不會形成汽流對換熱器內部液面的明顯沖擊現象。

對應采暖水流量2706 t/h不變，加熱溫差降低1倍，由90 ℃到109 ℃的工況，通過HTRI軟件的計算，對應原面積余量最大的校核工況，仍可用2臺設備并聯工作，此時的面積余量為98%，液位總高度約為500 mm。因而DN350管口有一半的空間是汽態的，HTRI軟件的分析結果顯示不會形成汽流對液面的明顯沖擊。

如按設計工況50%負荷核算，采暖水流量為1664 t/h，加熱溫度到120 ℃，投用2臺換熱器，此時的面積余量為78%，液位總高度約為450 mm。因而進口DN350口徑的空間有一多半是汽態的，換熱計算及其振動分析的結果顯示不會形成汽流對液面的明顯沖擊。

3.4 換熱器內實際運行狀態的分析

對于換熱器，其內部空間幾乎被管束填滿，互相交錯的換熱管之間的間隙僅為7 mm左右。蒸汽、凝液需要靠壓力作用從進口向出口邊流動邊換熱[5]。蒸汽越來越少，凝液越來越多，到出口都變成凝液排出，殼內液體不會是水平的，入口的液面要低于出口液面。另外，這個管束又如同一盆水泡著石子，蒸汽吹入時，加上兩排防沖擋桿，很難激起多大的振動。

4 設備操作方面的保障

首先，在換熱器的正常使用過程中，要保持凝結水流動的通暢，避免形成人為滯留產生的高水位。另外，當換熱系統負荷變動較大時，要按照設計要求適時調整并聯運行換熱器的數量，以便在小負荷運行時能及時切除部分換熱器的運行，使得運行的換熱器保持較小的面積余量，降低殼程凝結水的液位，從而消除小負荷運行時入口汽流對高液位的沖擊可能帶來的水擊或振動。

5 結論

綜上所述，該換熱系統選用的6臺汽水換熱器，在使用過程中能夠滿足正常生產運行工況的要求；另外，對單臺換熱器在50%設計工況和校核工況進行了核算，也不會產生振動、噪聲或者水擊等現象，完全滿足使用要求。該換熱器系統從設計完成到安裝調試及使用后，一直運行正常。證明在該換熱器設備的設計上所采取的振動消除措施是有效的，能夠達到減振的要求，可供類似換熱器設計進行振動消除，延長換熱器的使用壽命，加強換熱器的換熱效率，提高經濟效益。