探析电厂热网加热器的优化设计

孙明洋 王玉丽 孙敬轩

摘 要：热网加热器是用来加热送往热网的采暖水，加热蒸汽来自压力较高的汽轮机抽汽或从锅炉引来的新汽经减温减压后做为热源，将热网水加热到所需的送水温度。为了充分发挥其作用，结合电厂热网加热器，本文概述了热网加热器，阐述了热网加热器选型，对电厂热网加热器的优化设计进行了探讨分析。

关键词：热网加热器；选型；电厂；优化设计；

一、热网加热器的概述

热网加热器是热网系统的关键设备，是热电厂的主要设备之一，其主要功能是利用汽轮机的抽汽或从锅炉引来的蒸汽（加热介质）来加热热水供应系统中的循环水以满足供热用户要求，从而实现热电联产。热网加热器分基本热网加热器和高峰热网加热器两种，基本热网加热器是在整个供热期间一直连续工作，承担基本热负荷即满足绝大部分供热期间用户对热水温度的要求。在冬季最冷期间，串联在基本热网加热器之后，提高供热的热水温度以满足用户对更高水温要求的热网加热器称为高峰热网加热器。

二、热网加热器选型的分析

热网加热器被广泛地应用于炼油、化工、轻工、制药及城市的集中供暖等领域，是工业生产中不可缺少的设备。特别是管壳式加热器约占全部加热器的70%左右，它结构坚固容易清洗，易损件易于更换，维修方便；不易堵、漏，密封周长短；材料的选择范围较广，满足几乎所有的场合，包括特别低和特别高压力、温度，大的温差，蒸发与凝结以及严重污染和具有腐蚀性流体的情况，这种加热器不但使用方便，而且经久耐用，互换性强。与其它品种加热器比较，管壳式加热器的最大缺点是传热效率低。

近年来出现的波纹管加热器继承了管壳式加热器的优点，克服了其缺点，因而具有很强的实用性和更为广泛的应用领域。波节管管壳式加热器采用的换热管为波节管，是强化传热换热管。波节管不仅壁薄，而且形状独特。一般波节管壁厚为0.5～1.2mm，形状为直管段与弧形段交替。流体在波节管内外流动中，由于断面周期性变化所引起的压力与流速的周期性变化，使流体边界层发生分离、破坏了边界层热阻，使管内外的流体与管壁的换热系数可提高2～5倍，同时从根本上破坏了在管壁上有结垢的可能。另外，波节管为直管段与弧形段交替的形状，使流体有前喷射与后节流的双重作用。喷射使弧形段内流体向管壁产生横向冲刷破坏了边界层，节流使直管段内流体产生整流，流体的流向、密度、压力趋于一致，且不造成能量损失。波节管即不同于其它换热管，由于管内外的流体与管壁的换热系数大幅度提高，使得用波节管作换热管的加热器综合传热系数得以大大提高，保证了加热器的使用性能。

三、电厂热网加热器的优化设计分析

1、电厂热网加热器结构选型。电厂热网加热器主要利用汽轮机或锅炉引来的蒸汽（加热介质）来加热热水供应系统里的循环水，作为热网系统的关键设备，传统结构上一般采用管壳式加热器。而列管式加热器中以U形管加热器和固定管板式加热器较为普遍。对比U形管加热器，U形换热管的布管相比并不均匀，抗震性能不好，坏管率相比直管要高。而固定管板式加热器，管程清洗方便，换热管损坏时更方便堵管或更换。所以新型热网加热器的结构选择在固定管板式加热器结构的基础上进行优化设计。

2、电厂热网加热器的水室设计分析。结合电厂热网加热器的实际运行环境，选用椭圆形封头水室，封头顶部设置HG/T521521标准人孔，同时在水室内设置分程隔板，分程隔板上设有把手，以便于设备的清洗与维护[1]，为了保证水室的使用寿命，在分程隔板均设有加强筋，避免在循环水长期的冲蚀下，分程隔板发生变形，影响设备的正常运行。分程隔板的位置取决于加热器的实际布管情况。

3、电厂热网加热器的管束设计分析。主要表现为：（1）合理选择换热管。换热管通常选取不锈钢材质和碳钢材质，对比在相同的换热面积下进行设计，。根据国内大型热网加热器的运行使用情况来看，不锈钢换热管的运行情况最好。综合考虑设备的运输，运行维护成本，以及使用寿命等因素，不锈钢焊接管为优先选择。（2）加热器布管。在蒸汽入口侧，考虑蒸汽入口侧流量较大，同时按照GB/150.3-2011不另行补强的最大开孔直径要求，选择在壳程筒体上开有两个蒸汽抽气孔。这样做的优点在于简化了筒体的结构，增加了蒸汽的流通面积，而且便于设备的清洗与维护。为了减少蒸汽的阻力，在换热管与壳程之间预留了合理的流通面积，以增强热网加热器的换热效率。在蒸汽入口处的换热管位置設有防冲板，以保护换热管。为增强加热器的换热效率，在布管方面与传统的固定管板式加热器有所区别。由于在结构和性能上对比，热网加热器与冷凝器较为相似。所以布管上采取三段式布管。将管束设计为过热段，冷凝段和疏冷段。这样设计的优点是使得壳程内介质的流动更为稳定，提高加热器的传热效率。设置疏冷段区间主要是防止疏水排空造成危险。换热管布管区自上而下分别为过热段区间，凝结段区间和疏冷段区间。设计时在壳程内采用隔板件15～17分隔出用于监测疏冷段工况的区间，对热网加热器实时监控，保证加热器的使用安全。

4、电厂热网加热器的壳体设计分析。固定管板式加热器的壳体的热膨胀补偿性能不及U形管式加热器，需要在壳体上设置膨胀节。膨胀节按结构上主要分为轴向型，平面铰链型，万向铰链型，曲管压力平衡型，和拉杆型几种型式。从结构上进行选择，单式轴向U型膨胀节满足设计要求。但是对于热网加热器，在壳体上如果设置单式轴向型波纹膨胀节，在补偿处容易造成沉积物的积累，而且不便于壳程的清洗，影响其实际理论的热膨胀补偿效果。而且在制造阶段进行水压试验后，在U形处容易造成试压水排放不净，影响设备运行后膨胀节的使用寿命。所以在膨胀节的设计过程中采用了半U型不锈钢膨胀节，并对其进行有限元分析。

结束语

综上所述，供热电厂热网首站系统最主要的设备就是热网加热器，加热器选型及其设计直接关系到供热系统的安全性及稳定性，同时也关系到供热的质量、工程造价，因此对电厂热网加热器的优化设计进行分析具有重要意义。

参考文献：

[1]王予川等.热网加热器的安全运行措施[J].华电技术，2017（12）

[2]李小龙.供热机组供热优化方案探讨[J].能源与环境，2017（04）

[3]赵麒等.基于火积耗散原理的热网加热器优化设计与分析[J].哈尔滨工业大学学报，2016（08）