鈦管換熱器的工藝計算及經濟性分析

發布時間：2022-07-28 04:47:59 瀏覽次數：

LNG 被公認是地球上最干凈的化石能源，但是基于我國富煤、貧油、少氣的能源結構，最近我國大量進口LNG。LNG 在氣化的同時，可以利用其冷源，通過卡諾循環進行發電。該工藝涉及到海水換熱器，為了保證發電平穩，需要采用鈦換熱管。

鈦換熱器因金屬離子不易流失，所以可充分利用這種非磁性特點，用做制藥及食品等用途的換熱器。由于鈦的抗腐蝕能力強，所以換熱器的使用壽命長，并且在使用中維護費用也低。此外，因其具有體積小、換熱能力大等優點，相關設備（如泵）的投資及運行費用也能相應減少 [1]。

鈦管換熱管的價格為127 元/kg，S30408 換熱管的價格為17.2 元/kg ，價格昂貴，因此在進行鈦管換熱器設計的過程中，在滿足工藝參數的前提下，盡量減少鈦管的重量，從而提高經濟性 [2]。

筆者在設計鈦管換熱器的過程中，需要考慮到，如何減少工程總造價，主要包括設備固定投資和運行費用。基于此，筆者在保證傳熱要求的前提下，系統分析了不同換熱管規格對總費用的影響。

1、設計參數

LNG 發電項目由煙臺某電力公司總包，我公司負責熱工計算，要求換熱余量至少10%。其主要設計參數如表1 所示。

2、換熱器工藝計算

2.1 換熱器管殼程流體分配根據工程經驗，凡是接觸海水介質的材料需要采用Ti 材，如果將海水安排在殼程，換熱管、殼程材料和管板均需要采用昂貴的鈦材，所以將海水安排在管程。

2.2 換熱器型式的確定

管殼式換熱器總的傳熱熱阻 [3] 是由熱流體與管壁的對流傳熱熱阻、管壁和污垢的導熱熱阻，以及管壁與冷流體的對流傳熱阻串聯構成。海水汽化器的總傳熱熱阻：

由于管殼側介質的對流傳熱系數比較高，海水側污垢熱阻對總體熱阻的貢獻值很大，基于此，設計過程考慮減少污垢熱阻的措施。

目前管式換熱器（例如凝汽器、空氣冷卻器、冷油器等）內部換熱管道內壁結垢后一般采用化學清洗和物理清洗（高壓水射流清洗），這兩種清洗方法都是在管道內壁結垢后才能進行清洗，且沒有預防管道內壁結垢的功能。

清洗時需設備停運后才能進行清洗除垢等操作，清洗除垢過程時間長且對設備損傷較大、安全風險高、費用較高、勞動強度大等缺點非常明顯。

選用膠球在線清洗裝置，可以在不停工的前提下，進行在線清洗，可以保證換熱器在高傳熱系數下運行。經過與在線清洗廠家咨詢，一臺在線清洗裝置需要10 萬元，管內污垢熱阻可以從原來的0.000 352 m2 · k/W 降低至0.000 088 m2 · k/W。表2為采取這兩種不同污垢熱阻的設計結果。

從表2 可以看出，采用膠球在線清洗裝置可以節省換熱器管束費用308.8 - 242.1 = 66.7 萬。綜合考慮在線清洗裝置投資10 萬元，可以節省費用56.7 萬元，所以采用在線清洗裝置。

這種在線清洗裝置，需要單管程的結構。考慮到固定管板結構，冷熱流體傳熱接近逆流，且管殼程壁溫不大，不需要設置膨脹節，所以確定換熱器型式為單管程BEM 結構。

2.3 換熱管規格的確定

基于2.1 和2.2 的分析，確定采用BEM 固定管板換熱器，將海水放在管程。采用φ25×1.5、φ19 mm×1.5 mm、φ14 mm×1.5 mm、φ12 mm×1.5 mm 四種不同換熱管規格，分別進行工藝計算。

2.3.1 設備固定投資費用

在保證換熱性能的前提下，分別應用HTRI 8.1進行傳熱計算，得到換熱器規格，由于鈦管價格昂貴，設備固定投資近似等于換熱管費用，將結果列于表3。

根據雷諾數判斷，這四種規格換熱管的管內海水處于湍流狀態，無相變的流體在管內作湍流流動時，可用下式計算αi

從上式可以看出，隨著管內徑的減小，總傳熱系數不斷增大，將計算結果繪制于圖2 ~ 3。

根據Q = KAΔTm，式中Q [3] 為換熱量，K 為總傳熱系數，已經獲得，關鍵是對ΔTm 的獲得，由于殼程流體發生相變，不能采用對數傳熱溫差公式計算，只能采取分段計算方法，分別計算殼程氣化區和過熱區。在氣化區和過熱區可以分別采用對數傳熱溫差計算平均溫差。根據上述公式，得到換熱面積。

從表3 和圖4 ~ 5 可以看出，隨著管外徑的減小，管束質量逐漸降低，設備固定投資也逐漸降低，似乎應該選擇φ10 mm×1.5 mm 的小規格管子。但設計換熱器不僅僅要考慮固定費用，還需要考慮設備全周期的費用，因此必須要考慮運行費用。

2.3.2 設備運行費用

取設備壽命為20 年，查得當地工業用電單價為0.85 元/ kw · h，海水的體積流量為0.3 m3/ s，管程壓降分別按照水力計算獲得，水泵軸功率W=ΔP×Q，式中W 代表軸功率，ΔP 代表壓降，Q 代表體積流量，運行費用 P = i×c，式中P 代表運行費用，i 代表耗電量，c 代表用電單價，如表4 所示。