上海航天能源股份有限公司 魏 驰

燃气电厂调压站管壳式换热器的比较与分析

上海航天能源股份有限公司 魏 驰

目前用于燃气电厂调压站的换热器主要有国产单管式及进口双管式两种型式，文章主要从安全性和经济性两方面对这两种换热器进行比较、分析。

管壳式换热器 双管 安全性 经济性

0 概述

气体燃料中所含的液体会引起燃气轮机燃料喷嘴的损坏，用于DLN燃烧系统时会引起预混合火焰逆燃或预混区着火，因此，各燃气轮机的气体燃料规范中，对燃气过热度都有一定的要求。过热度是气体燃料温度及其各自的露点之间的温差，规定过热度可以补偿由于气体燃料通过控制阀时膨胀所引起的温降，防止凝液析出。由于燃气电厂通常都有比较稳定的蒸汽或热水热源，管壳式换热器这种结构坚固、易于制造的换热设备，被广泛用来给天然气加热，以保证其温度满足要求。目前，电厂调压站常用管式换热器有两种，一种为国产单管式换热器，一种为进口双管式换热器。单管式换热器造价低、安全性较差，而双管式在保证安全性的同时，也存在造价过高的弊端，因此，如何选择合适的管式换热器，一直是电厂业主和设计院关注的焦点。本文主要对这两种换热器进行比较分析。

1 管壳式换热器简介

管壳式换热器是间壁式换热器的一种，根据结构的不同，其主要又分为固定管板式、U型管式以及浮头式等几种类型。图1所示为典型固定管板式换热器的结构组成。流体Ⅰ在管外流动(即壳程)，流体Ⅱ在管内流动(即管程)，两种流体通过换热管束的壁面作为传热面进行换热。管外各管间设置有一些圆缺形挡板，其作用是提高管外流体的速度，使流体充分流经全部管面，从而提高壳侧表面传热系数。此外，挡板还可以起到支承管束、保持管间距等作用。

图1 管壳式换热器示意

由于结构简单，易于制造，且对高温、高压的适应性较强，管壳式换热器一直用于燃气电厂调压站的换热。近几年来，由于电厂方面对换热安全性的重视，一种采用双层换热管束的换热器正逐步得到应用。

2 结构及安全性分析

从管壳式换热器的结构来看，换热管和管板是换热器管程和壳程之间的惟一屏障，大多数换热器的破坏均发生在换热管与管板的连接部位。燃气电厂中管式换热器的使用工况都比较恶劣，一方面管程天然气压力远高于壳程热源压力，另一方面热源与天然气之间又存在较大的温差。这就使得换热管与管板接头处除了要承受较大压差力外，还要受到较大的温差应力作用，容易发生破损，导致换热器失效。而一旦连接部位破损，高温或高压介质会渗漏至低温低压侧，将造成进一步的破坏。因此，换热管与管板之间的连接接头的质量，直接影响着电厂设备及装置的安全可靠性。

换热管与管板之间的连接，目前主要有胀管、焊接以及胀接加焊接三种方式。胀管对管板变形影响小，但制造工艺复杂，且不适宜用在压差、温差大的场合。而胀接加焊接的工艺虽然克服了胀接强度低和焊接存在应力、腐蚀破裂等缺点，但其制造工艺更加复杂，成本高，而且制造过程中胀接与焊接的过程会相互影响，难以保证产品质量。因此，工艺简便、又具有较好紧密型的焊接工艺，应用最为普遍。燃气电厂中管式换热器，其换热管与管板的连接，一般都采用焊接方式。

长期以来，固定管板和U型管式的单管式换热器在燃气电厂调压站行业一直处于主导地位，但由于 2007年国内某电厂单管式换热器的一次破管事故，再加上近年来国外厂家的市场推广，双管式换热器正在逐步取代单管式换热器的地位，在电厂调压站中得到越来越广泛的应用。见图2。

图2 双层管束结构示意

与传统单层管壁的换热器相比，双管式换热器的换热管采用双层管束结构。这种双层管束的设计在每一端都有两个管板，两层管路各固定在不同的管板上，当两管胀接时，两层管壁之间会形成极细小的通路，用于收集和导出渗漏媒介。即使内管出现了渗漏，系统仍然可以继续工作，一直到下一个例行检修期的到来。

这种双管式结构大大提高了换热器的安全可靠性，也保证了电厂调压站整体系统的稳定运行。

3 经济性分析

由于国内加工工艺的限制，目前燃气电厂行业所使用的双管式换热器均为进口设备，其性能稳定可靠的同时，也导致投资成本急剧上升。根据对近两年电厂项目换热器的报价数据进行统计分析，同样一个项目的换热，双管式换热器的投资是国产单管换热器的3~4倍。以2014年华电集团某电厂项目为例，其招标方案中，要求采用两个换热器分别进行报价，表1为两种换热器的投资价格表。

表1 单、双管式换热器投资成本对比表

通过比较可发现，采用双管式换热器方案，仅设备成本就要高出单管式换热器方案近100万元。另一方面，由于多了一层套管，双管换热器的热效率要低于同样管径的单管换热器，这意味着更多的热源消耗。根据厂家提供的换热效率，再结合两者的换热计算书进行比较计算，双管换热器效率比单管低5%~10%左右。华电集团某电厂项目采用的热源为过热蒸汽，两种方案的运行成本分析见表2。

表2 单、双管式换热器运行成本对比

通过对比可见，采用双管式换热器方案，每年的运行成本要比单管式换热器方案高出10多万元。

燃气电厂调压站的整体投资，一般在500万元到1 500万元之间，换热设备的投资，在调压站的整体投资中占有一定分量。通过比较设备投资成本和运行成本可知，在经济性方面，单管式换热方案要远优于双管式换热方案。

4 结语

就安全性而言，双管式换热器要优于单管式换热器，但前者的投资成本也同样远高于后者。如何选择合理的换热方案，亦即如何权衡安全性与经济性，一直是困扰电厂设计人员的一道难题。本文通过对这两种不同的换热器进行比较分析，希望能为相关设计人员提供一定的参考意见。同时，随着国内加工工艺水平的提升，以及进口产品价格的理性回归，安全性与经济性必然能得到更好的平衡。

Comparison and Analysis on Shell-and-tube Heat Exchanger of Regulator in Fuel Gas Power Plants

Shanghai Aerospace Energy Co., Ltd. Wei Chi

Two main styles of heat exchangers are mono-tube heat exchangers at home and double-tube hea exchangers abroad. The paper introduces two kinds of heat exchangers from the perspective of safety and economics.

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