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摘要：步入二十一世纪，传统的热电联产机组的效能技术正日趋成熟并进一步向集成化、智能化、网络化的现代技术方向发展。同时，热电联产的高效能发展技术还普遍呈现出通过专用化开发而谋求更易用、更经济和更高效的重要特点。对热电联产机组供热首站换热器选型就很有必要了。
关键词：热电联产；供热机组；换热器；选型
Abstract: into the 21 century, the traditional cogeneration units efficiency technology is mature and further to integration, intelligence, and network of modern technologies direction. At the same time, cogeneration of efficient development technology also present a common development and are more likely to seek following through with, more economic and more efficient important characteristics. To cogeneration units is first selection of heating heat exchanger is needed.
Keywords: cogeneration; Heating units; Heat exchanger; selection
中图分类号：O482.6文献标识码：A 文章编号：
引言
热电联产机组设备运行有较高的优势，一方面蒸汽不在降压或经减温减压后供热，而是先发电，然后用抽汽或排汽满足供热、制冷的需要，可提高能源利用率，另一方面增大背压机负荷率，增加机组发电，减少冷凝损失，降低煤耗。其次能够保证生产工藝，改善生活质量，减少从业人员，提高劳动生产率；代替数量大、型式多的分散空调，改善环境景观，避免“热岛”现象。
1.大型热电联产机组热网加热器类型
1.1板式热网加热器
板式换热器具有传热系数高、外型体积小、结构紧凑、维修方便等诸多优点，并且随着结构的改进和大型化制造技术的提高，板式换热器的应用日益受到重视。但传统的可拆卸式板式换热器，由于其本身结构的局限性，其使用压力不超过2.5MPa，使用温度不超过250℃。另外还存在橡胶密封垫在高温下容易失效的缺陷。因此，为了提高板式换热器的使用温度和压力，扩大其使用范围，国内外陆续开发、制造并使用了多种全焊接板式换热器，近几年在热电联产机组的热网加热器中也逐步得到采用。
全焊接板式热网换热器有以下特点：
（1）波纹管促进提高湍流度，从而使总体的传热系数达到管壳式换热器的三到五倍，总传热系数一般在3000～ 5000W/ (m2 ·K)，高的可达5000～7000 W/ (m2 ·K)
（2）交错焊接的板片形成湍流，结垢比管壳式换热器轻微得多，运行周期大为加长，基本可以免维护。
（3）全焊板式热网加热器的优越性还体现在节能上面。一台换热器除了满足蒸汽冷凝需求外，还以较高的热效率回收显热。
（4）结构紧凑，占用空间仅为管壳式的1/3～1/2。
1.2管式热网加热器
管式热网加热器从其布置方式上分为立式热网加热器和卧式热网加热器。卧式热网加热器因其传热效果好、换热面布置合理等优势，在大型热电联产机组得到广泛应用。卧式热网加热器的类型主要有固定管板式热网加热器(由左水室、管系、右水室构成)、U型管式热网加热器(主要由水室、管子和支座等组成)、浮头式管壳热网加热器，浮头式管壳热网加热器的一端管板与壳体固定，另一端管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束相对膨胀是自由的，故当两侧介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。
总的来说，管壳式换热器有以下特点：
（1）耐高温高压，坚固可靠耐用。
（2）设计、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟。
（3）适用范围大。特别是在高温高压和大型换热器的应用占据绝对优势。
（4）占地面积较大，检修空间较大。
（5）总传热系数较低，一般在1500～2800W/ (m2 ·K)
（6）管壳式换热器的换热管如发生断裂或泄漏可以将该故障管在管板处堵死，而不影响其它通道的运行；在蒸汽侧可安装防冲装置，保护换热管。
2.热网换热器选型方案比选
本文以某典型300MW的采暖供热机组数据为基础，进行比选：
热网循环水量约为1000t/h，供水温度130℃，回水温度80℃。
2.1板式换热器选型数据
采用板式换热器，受单台最大容量的限制，需设置八台板式热网换热器，每台加热面积约320m2。
单台板式热网换热器的性能参数见表1
表1 板式热网换热器性能参数
2.2管壳式换热器选型数据
选用管壳式热网换热器，需设置四台面积约1200m2左右的换热器。
单台管壳式热网换热器的性能参数见表2。
表2 管壳式热网换热器性能参数
3.方案选型比较
在350 MW超临界采暖供热机组的热网首站设计中，热网加热器作为最重要的设备，其运行的安全性、经济性以及初投资等是影响热网加热器选型的重要因素。管式与板式热网加热器从设备工作原理、结构、功能等方面均能满足热网首站换热要求，但是由于初投资的较大差异以及运行经济性的不同，在热网首站加热器的选型过程中应进行综合技术经济比较。
3.1投资比较
由于不同的热网加热器结构型式不同、制造工艺、材质、产地要求不同等因素，导致热网加热器本体价格差异较大。整体进口的板式热网加热器，板片材质为TP316L；国产管式热网加热器，换热管材质为TP304。另外，由于热网加热器型式不同，所组成的热网系统的主要区别在于全焊接板式换热器波纹深度在2.50~4.45 mm之间，间隙较小，特殊情况下如滤水设备事故开启旁路时，系统中进入杂质、杂物难以清除，因此应设置备用滤水器，其他系统两者均相同。同时，由于2种型式的热网加热器外型尺寸、结构荷载、检修空间要求不同，所需热网首站的空间大小不同，使得2种热网加热器的土建投资费用有所不同，投资对比见表3。
表3 热网首站热网加热器投资比较
从表3可以看出，采用进口的全焊接板式热网加热器，其价格较高，虽然土建费用有所降低，但总投资比采用管式热网加热器增加1 086万元。
3.2运行经济性比较
板式热网加热器的外型尺寸较小，运行过程中散热损失较小，热效率比管式热网加热器略高。在对外输送热量相同的情况下，其所需的热网加热蒸汽量将低于管式热网加热器。若板式热网加热器及管式热网加热器的热效率分别暂按99.5%和99.0%选取，在汽轮机进汽量相同情况下，采用板式热网加热器时，少抽取的采暖蒸汽继续进入汽轮机低压缸做功，从而增加了机组的发电量，提高了机组运行经济性，但同时板式热网加热器板间流道阻力较大，在通过相同量的热网循环水时，其水侧阻力比管式换热器高9.8 kPa，由此会使热网循环水泵的功率消耗增加。板式与管式热网加热器运行经济性比较见表4。
表4热网加热器运行经济性比较
以上运行经济性比较以管式热网加热器为基础。从表3、表4可以看出，在采暖热负荷相同的情况下，热网首站采用板式热网加热器的投资比管式热网加热器方案高出1 086万元，但是由于其热效率较高，采暖期运行中可增加发电收益86万元。采用板式热网加热器方案的投资回收年限为12~13年。
总结
大型供热机组设计的热网水均为软化水，由于一级网系统庞大，水容积较大，需制备大量的软化水。但实际运行中，一级网较少采用软化水运行，而是直接用工业水或冷却水补充到热网水系统中。由于板式热网加热器对水质要求较高，水质较差时极易造成板式换热器结垢堵塞，造成换热效率急剧下降，因此采用板式热网加热器需保证热网水质，同时进行有效的清洗。
当2台350 MW机组采暖期平均采暖抽汽量达950 t/h及以上时，板式热网加热器运行经济性优势比较明显。
鉴于目前国内采用全焊接板式热网加热器的热电联产机组运行情况并不理想，换热器泄漏事故严重影响供热的可靠性，在选择全焊接板式热网加热器时应充分考察了解其发生泄漏的原因，并在选型、设计阶段加以解决。
板式热网加热器在作为冷却设备时，由于其具有较高的换热系数、较小的传热端差，可以减少冷端介质流量，从而减少冷却水耗量、冷却水电耗等。
参考文献
[1]吴文涛.热电厂采用热、电、冷三联供技术的节能分析[J].湖北电力，2004
[2]钟史明，刘龙海.界定热电联产抽凝机组节能指标的建议[J].电力技术经济，2008
[3]刘启军.大型供热机组热网加热器选型研究[J].吉林电力，2010
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：热电联产；供热机组；换热器；选型
Abstract: into the 21 century, the traditional cogeneration units efficiency technology is mature and further to integration, intelligence, and network of modern technologies direction. At the same time, cogeneration of efficient development technology also present a common development and are more likely to seek following through with, more economic and more efficient important characteristics. To cogeneration units is first selection of heating heat exchanger is needed.
Keywords: cogeneration; Heating units; Heat exchanger; selection
中图分类号：O482.6文献标识码：A 文章编号：
引言
热电联产机组设备运行有较高的优势，一方面蒸汽不在降压或经减温减压后供热，而是先发电，然后用抽汽或排汽满足供热、制冷的需要，可提高能源利用率，另一方面增大背压机负荷率，增加机组发电，减少冷凝损失，降低煤耗。其次能够保证生产工藝，改善生活质量，减少从业人员，提高劳动生产率；代替数量大、型式多的分散空调，改善环境景观，避免“热岛”现象。
1.大型热电联产机组热网加热器类型
1.1板式热网加热器
板式换热器具有传热系数高、外型体积小、结构紧凑、维修方便等诸多优点，并且随着结构的改进和大型化制造技术的提高，板式换热器的应用日益受到重视。但传统的可拆卸式板式换热器，由于其本身结构的局限性，其使用压力不超过2.5MPa，使用温度不超过250℃。另外还存在橡胶密封垫在高温下容易失效的缺陷。因此，为了提高板式换热器的使用温度和压力，扩大其使用范围，国内外陆续开发、制造并使用了多种全焊接板式换热器，近几年在热电联产机组的热网加热器中也逐步得到采用。
全焊接板式热网换热器有以下特点：
（1）波纹管促进提高湍流度，从而使总体的传热系数达到管壳式换热器的三到五倍，总传热系数一般在3000～ 5000W/ (m2 ·K)，高的可达5000～7000 W/ (m2 ·K)
（2）交错焊接的板片形成湍流，结垢比管壳式换热器轻微得多，运行周期大为加长，基本可以免维护。
（3）全焊板式热网加热器的优越性还体现在节能上面。一台换热器除了满足蒸汽冷凝需求外，还以较高的热效率回收显热。
（4）结构紧凑，占用空间仅为管壳式的1/3～1/2。
1.2管式热网加热器
管式热网加热器从其布置方式上分为立式热网加热器和卧式热网加热器。卧式热网加热器因其传热效果好、换热面布置合理等优势，在大型热电联产机组得到广泛应用。卧式热网加热器的类型主要有固定管板式热网加热器(由左水室、管系、右水室构成)、U型管式热网加热器(主要由水室、管子和支座等组成)、浮头式管壳热网加热器，浮头式管壳热网加热器的一端管板与壳体固定，另一端管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束相对膨胀是自由的，故当两侧介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。
总的来说，管壳式换热器有以下特点：
（1）耐高温高压，坚固可靠耐用。
（2）设计、制造应用历史悠久，制造工艺及操作维检技术成熟。
（3）适用范围大。特别是在高温高压和大型换热器的应用占据绝对优势。
（4）占地面积较大，检修空间较大。
（5）总传热系数较低，一般在1500～2800W/ (m2 ·K)
（6）管壳式换热器的换热管如发生断裂或泄漏可以将该故障管在管板处堵死，而不影响其它通道的运行；在蒸汽侧可安装防冲装置，保护换热管。
2.热网换热器选型方案比选
本文以某典型300MW的采暖供热机组数据为基础，进行比选：
热网循环水量约为1000t/h，供水温度130℃，回水温度80℃。
2.1板式换热器选型数据
采用板式换热器，受单台最大容量的限制，需设置八台板式热网换热器，每台加热面积约320m2。
单台板式热网换热器的性能参数见表1
表1 板式热网换热器性能参数
2.2管壳式换热器选型数据
选用管壳式热网换热器，需设置四台面积约1200m2左右的换热器。
单台管壳式热网换热器的性能参数见表2。
表2 管壳式热网换热器性能参数
3.方案选型比较
在350 MW超临界采暖供热机组的热网首站设计中，热网加热器作为最重要的设备，其运行的安全性、经济性以及初投资等是影响热网加热器选型的重要因素。管式与板式热网加热器从设备工作原理、结构、功能等方面均能满足热网首站换热要求，但是由于初投资的较大差异以及运行经济性的不同，在热网首站加热器的选型过程中应进行综合技术经济比较。
3.1投资比较
由于不同的热网加热器结构型式不同、制造工艺、材质、产地要求不同等因素，导致热网加热器本体价格差异较大。整体进口的板式热网加热器，板片材质为TP316L；国产管式热网加热器，换热管材质为TP304。另外，由于热网加热器型式不同，所组成的热网系统的主要区别在于全焊接板式换热器波纹深度在2.50~4.45 mm之间，间隙较小，特殊情况下如滤水设备事故开启旁路时，系统中进入杂质、杂物难以清除，因此应设置备用滤水器，其他系统两者均相同。同时，由于2种型式的热网加热器外型尺寸、结构荷载、检修空间要求不同，所需热网首站的空间大小不同，使得2种热网加热器的土建投资费用有所不同，投资对比见表3。
表3 热网首站热网加热器投资比较
从表3可以看出，采用进口的全焊接板式热网加热器，其价格较高，虽然土建费用有所降低，但总投资比采用管式热网加热器增加1 086万元。
3.2运行经济性比较
板式热网加热器的外型尺寸较小，运行过程中散热损失较小，热效率比管式热网加热器略高。在对外输送热量相同的情况下，其所需的热网加热蒸汽量将低于管式热网加热器。若板式热网加热器及管式热网加热器的热效率分别暂按99.5%和99.0%选取，在汽轮机进汽量相同情况下，采用板式热网加热器时，少抽取的采暖蒸汽继续进入汽轮机低压缸做功，从而增加了机组的发电量，提高了机组运行经济性，但同时板式热网加热器板间流道阻力较大，在通过相同量的热网循环水时，其水侧阻力比管式换热器高9.8 kPa，由此会使热网循环水泵的功率消耗增加。板式与管式热网加热器运行经济性比较见表4。
表4热网加热器运行经济性比较
以上运行经济性比较以管式热网加热器为基础。从表3、表4可以看出，在采暖热负荷相同的情况下，热网首站采用板式热网加热器的投资比管式热网加热器方案高出1 086万元，但是由于其热效率较高，采暖期运行中可增加发电收益86万元。采用板式热网加热器方案的投资回收年限为12~13年。
总结
大型供热机组设计的热网水均为软化水，由于一级网系统庞大，水容积较大，需制备大量的软化水。但实际运行中，一级网较少采用软化水运行，而是直接用工业水或冷却水补充到热网水系统中。由于板式热网加热器对水质要求较高，水质较差时极易造成板式换热器结垢堵塞，造成换热效率急剧下降，因此采用板式热网加热器需保证热网水质，同时进行有效的清洗。
当2台350 MW机组采暖期平均采暖抽汽量达950 t/h及以上时，板式热网加热器运行经济性优势比较明显。
鉴于目前国内采用全焊接板式热网加热器的热电联产机组运行情况并不理想，换热器泄漏事故严重影响供热的可靠性，在选择全焊接板式热网加热器时应充分考察了解其发生泄漏的原因，并在选型、设计阶段加以解决。
板式热网加热器在作为冷却设备时，由于其具有较高的换热系数、较小的传热端差，可以减少冷端介质流量，从而减少冷却水耗量、冷却水电耗等。
参考文献
[1]吴文涛.热电厂采用热、电、冷三联供技术的节能分析[J].湖北电力，2004
[2]钟史明，刘龙海.界定热电联产抽凝机组节能指标的建议[J].电力技术经济，2008
[3]刘启军.大型供热机组热网加热器选型研究[J].吉林电力，2010
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。