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电厂闭式冷却水系统板式换热器与管式换热器比较及选型优化
旷仲和
(华能国际电力股份有限公司广东分公司,广东省汕头市,515041)
[摘要]在火力发电厂闭式冷却水系统中,板式闭冷器入口前需要加装过滤器及升压泵,而管式闭冷器不需加装。由于存在此差别,从闭式冷却水系统整体看,通过设备投资、运行耗能、维护管理等对比分析,可以得出采用管式闭冷器的系统整体节能效果较好、系统比较简单、基建投资及检修维护管理费用较少的结果。要达到此结果,设计优化选型是关键。
[关键词]闭式冷水系统;板式换热器;管式换热器;节能效果;优化选型
中图分类号:TK414.2+12文献标志码:B文章编号:1000-7229(2008)08-0077-04
0 引言
目前在火力发电厂,一般选择板式换热器或 管式换热器作为闭式冷却水系统的闭冷器[1]。在闭冷器的选型上,设计院通常要根据具体的环境 条件及一次冷却水水质情况进行技术经济比较, 来选定板式或管式换热器作为闭式冷却水系统的 闭冷器[1]。但是在实际的选型中,往往认为这2种 换热器都能使用,只要单独对2种换热器的价格进行比较,认为哪一种便宜就选定那一种。有人还 把2种闭冷器的传热系数进行比较,来作为选型 的依据,并没有从2种换热器的使用特点、不同闭 冷水系统的总的价格、运行节能效果、占地面积、 检修维护管理费用、运行安全性等全面评价后,进 行优化选型,其结果将导致闭冷器系统基建投资 增加、运行耗能增加、维护管理费用增加和运行可 靠性降低的情况发生。有的电厂在不宜使用板式 换热器时,采用了板式换热器,导致板式换热器严 重堵塞,影响发电设备正常运行的故障发生。本文 以有关电厂的设计情况为例,对管式换热器与板 式换热器结构特点、性能特点、系统特点、投资差 异、耗能差异、维护管理差异、占地面积差异等进 行程序性分析论述,为闭冷水系统优化选型,达到 节约基建投资、节能减排、系统简单、运行可靠的 目的,提供充分依据,为电厂可靠、安全、经济运行 提供保障。
1.国内采用管式换热器和板式换热器现状
1.1部分管式换热器的使用情况
笔者曾考察了南方沿海有关电厂的闭冷水系统,这些电厂均采用管式换热器。考察的情况总结如下几点:
(1)除了个别电厂的管式换热器由于设计制造 及使用不当的原因发生断管的故障以外,全部运行 情况良好,长时间运行无管束堵塞情况,其换热效率 及冷却水端差达到良好效果,水阻小。
(2)换热器入口前不需加装过滤器及升压泵就 可安全运行。没有因为闭冷器发生堵塞而影响发电 设备正常运行的记录。
(3)管口泄漏故障很少发生。
(4)个别电厂使用的闭冷器发生断管事件是由 于设计制造及使用不当引起。此种换热器是折流板 管式换热器。采用进口及国内有关电力设备厂的折 流杆管式换热器没有断管的记录。
(5)不管是折流板管式换热器还是折流杆管式 换热器,换热器入口前不加装过滤器及升压泵,都没 有发生管束堵塞情况,在自然水温度高的夏天仍然 能够满足良好的冷却效果。
(6)基本无维护工作量。
1.2部分板式换热器的使用情况 笔者对部分使用板式闭冷器系统的电厂进行了 考察及了解,情况总结有如下几点:
(1)在板式换热器的入口配套加装了自动反冲 洗的过滤器与升压泵及相应的控制装置及阀门管 道。
(2)对于一次水水质较好的电厂,板式换热器运 行情况较好。但长时间运行仍然可能发生堵塞,每年 仍需进行1次或2次的解体清洗或检查,以防止堵 塞的情况发生。
(3)对于一次水水质较差的电厂,板式换热器运 行情况不好,短时间就可能发生堵塞。有因为闭冷器 突然发生堵塞而影响发电机组正常运行的记录。
(4)在气温低的季节里,运行情况较为良好。但 在夏天的高温季节,有些电厂的闭冷水的温度达到 极限值,有时被迫降负荷运行。
(5)发生堵塞时需要对板式换热器进行解体,一 片一片地清洗。检修维护工作量较大。
(6)有些电厂原使用板式换热器,由于使用效果不好,现改为管式换热器,例如,珞璜电厂。但无由管 式换热器改为板式换热器的记录。
2 2种换热器及其闭冷水系统的优缺点及其差异
通过考察,可以得出如表1所示的这2种设备及其系统的优缺点对比。
3投资与节能效果等技术指标的对比分析从表1可以看出,采用管式换热器的闭冷水系 统比采用板式换热器的系统的优点要多。但表1中的各项只是定性分析,需要作定量分析才能得出最终结果。下面以南方沿海某电厂(HNHMDC)2×1 000 MW机组为例,进行定量分析。该电厂的循环冷却水 及闭式水系统的一次冷却水采用开式海水。每台机组配2台闭式冷却水换热器,1台运行,1台备用。
3.1闭冷水系统运行安全性分析
表1中1、2、3项可以归类于运行安全性分析。 对于管式换热器的闭冷水系统,影响运行安全性的 因数只有1个,那就是管式换热器的断管与泄漏。设 计的介质横向流速过大引起对管束冲击振动是引起 断管的主要原因。在启动操作中,在没有把换热器注 满水、换热器本体内含有大量空气的情况下启动换 热器运行,也是造成管子受冲击振动而断管的1个 原因。管子的制造质量及管口胀管与焊接的质量是 引起泄漏的主要原因。如注意到换热器设计与制造 质量及操作水平,这类问题可以避免。事实上这类问 题也很少发生。目前国内有关厂家开发的折流杆管 式换热器,采用360°圆周进水,用多根圆杆对管束 进行支撑固定而取消了中间多道隔板,这极大地降低了介质的横向流阻,从根本上避免了上述问题的发生,运行的安全可靠性提高。
对于板式换热器,因为系统中加装了配套的过滤器与升压泵设备,影响运行安全性的因素至少有 4个。第1个因素是泄漏问题,这主要与板片、密封 垫的制造质量、安装水平及密封垫的老化损坏有关。目前由于板片、密封垫的制造质量和安装水平的提高,引起泄漏的问题比较少见。密封圈的老化损坏却不可避免,一般使用周期在5~10年。第2个因素是堵塞问题,即使在板式换热器前加装了过滤器,也不可完全避免,只是时间的长短问题。第3个因素是 有时过滤器也有故障受堵。受堵的换热器,其一次 冷却水量急剧降低,使二次冷却水温度急剧升高。 第4个因素是升压泵可能存在的泵体机械故障、出口逆止门故障、电源电气故障、控制装置故障等,使一次冷却水中断。
由于管式换热器的安全影响因素只有1个,而 板式换热器有4个,因此,管式换热器的运行安全性 应高于板式换热器。
3.2占地面积对比分析
1台管式换热器的外形尺寸(长×直径)为12 m× 1.8 m。1台板式换热器的外形尺寸为(长×宽×高)约 3.91 m×1.36 m×3.18 m。1台板式换热器配套的过滤 器含进出口阀门接管的尺寸(长×宽)约5 m×1.3 m, 配套的升压泵含进出口阀门、出口逆止门及其接管 的尺寸(长×宽)约6 m×1.3 m。1台板式换热器的总的 安装尺寸应为板式换热器、过滤器、升压泵及其阀门 管道接口的总和(长×宽)为14.91 m×1.36 m。因此,这 两者的占地面积是相当的。
3.3技术性能及其能量消耗比较(表2)
板式换热器与管式换热器海水量耗功计算如 下:
每台汽机配套3×33.3%容量的循环水泵,单台 循环水泵轴功率2 200 kW,流量11 m3/s,1台机组共 3台循环水泵同时运行,那么单位体积流量的耗功为(2 200×3)/(11×3×3 600)=0.056 kW·h/m3。1台板式 闭冷器耗功4 387×0.056=246 kW。1台管式闭冷器耗功6 000×0.056=336 kW。
从表2可以看出:
(1)闭冷水系统的综合耗功:1台板式换热器闭 冷水系统比1台管式换热器闭冷水系统耗功多119 kW。
如果全年按可用小时6 000 h、发电煤耗率按 0.285 kg/(kW·h)计算,2台机组的管式换热器闭冷水 系统比板式换热器闭冷水系统要节省406 980 kg 标煤。运行30年计算,要节省12 209.4 t标煤。
(2)在保证主要性能即相同的出力、端差的情况 下,管式换热器的单个流道面积比板式换热器要大 得多;管式换热器的一次冷却水的水阻比板式换热 器要小得多。
(3)在采用相同钛材的情况下,板式换热器的传 热系数较大。这是板式换热器的一个优点,这个优点 对制造厂家有好处,可以降低制造厂家的材料消耗 及生产成本。在技术评标中,把传热系数的高低当作 用户要求的性能指标进行评比,是不适当的。用户要 求的性能指标是出力、端差、水阻、能耗、结构特点 (例如,介质通流面积大,不易堵塞)及价格。在设备 使用中,用户采取有关措施(例如,清除换热材料上 的污垢)提高传热系数,则可以达到节能的效果。
3.4设备投资费用的比较
从系统考虑,由于板式换热器必须加装升压泵、自动排污过滤器及相应的阀门及管道、控制、电源等,而管式换热器则不需要,价格高低应以系统配套的所有设备进行比较,见表3。
从表3看出,如果单从换热器本体比价格,板式换热器可能比管式换热器要低。但是从系统看,2台机组的板式换热器闭冷水系统的投资比管式换热器闭冷水系统要高237.4万元。
板式闭冷器系统增加的升压泵及过滤器阀门管道,其安装调试费用相应增加。
2台机组按升压泵与过滤器及阀门管道的总价 (195.64+149.80+40)的24%取费标准估算安装调试 费(概算值)为92.5万元。
3.5运行维护管理比较
管式换热器闭冷水系统简单。管式换热器是一 种基本免维修的产品。当热交换器发生泄漏时,可以 采用堵管的方法在短时间内恢复工作性能,维护工 作量少。无须更换备品备件。无大修工作量。无自动 过滤器与升压泵及其阀门的维护检修工作量。 板式换热器闭冷水系统复杂。人工维护需将整 机拆开,用喷水枪和刷子清洗板片和垫片,检查板片 和垫片,板片几百片,数量极多,工作量极大。当水质 差含有悬浮的固体颗粒、泥沙、杂草和水草等时,由 于板的间隙很窄,就容易发生堵塞,另外由于开式循 环水中的水生物对板式热交换器的危害更大,极易 导致堵塞,引起换热系统安全隐患。因此板式换热器 运行维护工作量大。橡胶密封圈是板式换热器的主 要部件,使用几年后会老化损坏。数量极多,又是易 损件,也需要大量的维护工作量。除此以外,还有配 套的自动过滤器、升压泵、阀门及其电气控制装置的 运行、维护、检修的工作量。
4 综合对比
4.1运行安全性比较
由于管式换热器闭冷水系统安全受控结点比板 式换热器要少,系统要简单得多,因此,管式换热器闭冷水系统的安全性要高一些。
4.2能耗比较
1台机组1台管式换热器闭冷水系统比板式换热器闭冷水系统电耗要少119 kW。2台机组的管式换热器闭冷水系统比板式换热器闭冷水系统要节省 406.98 t标煤。运行30年计算,要节省12 209.4 t标 煤。
4.3投资比较
2台机组的板式换热器闭冷水系统的投资比管式换热器闭冷水系统要高237.4万元。安装调试费用要多92.5万元。这2项相加,板式换热器系统要 多基建投资329.9万元。
4.4运行维护检修管理费用比较
2台机组板式换热器系统运行维护检修管理费用比管式换热器全年多花费16万元。运行30年计算,需多花费480万元。
上述计算,还未包括板式换热器配套的升压泵密封冷却水的能耗费用及过滤器反冲洗水排污能耗的费用。如果考虑这2部分能耗费用,板式闭冷器系 统的运行费用还要升高。
5.结论
5.1实践证明,采用板式换热器作为闭冷水系统的闭冷器,需要在换热器前配套加装过滤器和升压泵及其阀门,才能正常运行。管式换热器可以不加装。 事实上绝大多数电厂的管式换热器不加装过滤器和升压泵,但个别电厂有加装。
5.2由于管式换热器系统比板式换热器系统布置 简单、运行安全性较高、运行能耗较少、基建投资较少、运行维护检修工作量较少,因此,采用管式换热 器作为闭冷水系统的换热器是优化选型的结果。
6.参考文献
[1]火电发电厂设计技术规程(DL5000—2000)[S].北京:中国电力 出版社,2001.
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