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摘要：本文对某电厂2×1000MW扩建工程辅机冷却水系统中管式与板式换热器的方案进行技术、经济分析比较，发现板式换热器换热效率高，介质流阻损失小，结构紧凑，虽然年运行费用较管式换热器略有增加，但初投资费用要低于管式换热器，单台机组采用板式换热器较管式换热器比综合收益为2.02万元。因此本项目推荐采用小闭式系统，采用板式换热器，设置开式冷却水泵，能最大限度的降低系统和设备造价和运行费用。
关键词：辅机冷却水；管式换热器；板式换热器；技术经济比较
1、辅机冷却水系统选择
主厂房的冷却水的用户中，凝汽器、闭式循环冷却水热交换器、和真空泵由于对水量要求大、水温有特定的要求或系统原因，只能采用开式冷却水（即循环水），其它辅机的冷却水要求，原则上满足其水温、水量和水质即可。在辅机冷却水系统型式的定义上，通常将除上述三种设备外还有其它设备采用开式水（即循环水）作冷却水的系统称为小闭式，反之剩余设备全部采用闭式水作冷却水的系统叫大闭式。
本工程开式水系统冷却水源取自循环水，水源取自地表水，由于采用二次循环冷却系统，单独设有冷却塔，循环水水质较好，除凝汽器、闭式循环冷却水热交换器、和真空泵三种设备外，开式水系统供水母管设置电动滤水器，完全可满足主机及给水泵汽轮机冷油器、发电机定子冷却器、发电机氢气冷却器和发电机密封油冷却器等用水量较大设备稳定运行的要求，且冷却水温较闭式水低，采用小闭式冷却水系统可提高冷油器、氢气冷却器和发电机定子冷却器等设备的换热效果。当然，由于循环水压力较低，且对于本工程循环水采用高位收水塔（无常压进水间或水池，冷却水回水需全部上塔），为满足氢气冷却器等回水水压要求，需考虑设置开式循环冷却水升压泵，但该泵升压扬程很低，相比大闭式系统闭式冷却水泵，其运行费用仍然更低。鉴于本工程冷却水质条件较好，辅机冷却水推荐采用小闭式系统。
2、闭式循环冷却水热交换器型式
闭式循环冷却水热交换器是大闭式冷却水系统中的核心设备，从结构上看，目前国内电厂主要采用的系管壳式或板式这两种型式，其主要特点如下：
2.1管壳式换热器
管壳式换热器是由前水室、管束、筒体、后水室等组成。管束采用可抽式管束，它由前后管板、折流板、拉杆、定距管、换热管组成。拉杆与管板、拆流板采用丝扣连接，换热管与管板采用胀接加密封焊。在壳侧水入口处的管束上设置防冲板，以防止被冷却水直接冲刷换热管。为了减少管束装入或抽出筒体时的摩擦力，在管束上设有滑轨。为了检查清理水室中垃圾、泥沙及管子的堵塞等，在前后水室端盖上设有检查孔。为了监视水－水换热器的运行情况，在被冷却水侧（除盐水侧）及冷却水侧（开式水侧）进出口都设置温度和压力测点，此外还设有排气和放水接口等。
2.2板式换热器
板式换热器是由一组波纹形的平行金属板构成的，在板片的4个拐角处都有通道孔，板被夹紧在一个侧面附有连接管的固定板和活动压紧板的框架中，并用夹紧螺栓加以夹紧。这些连接管同板上的通道孔对中，并与热交换的两种液体的外部管路相连，传热板和活动压紧板悬挂在顶部承载梁的下面并由底部横梁使其对准定位。
3、管壳式及板式换热器的比较
3.1流动传热设计比较
管壳式换热器的管子是换热器的基本构件，它为在管内流过一种流体和穿越管外的另一种流体之间提供传热面。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据两侧流体的性质决定管子材料，将水质差的江水放在管内流动，水质较好的除盐水放在管子外壳侧，这样管子只需采用耐冲刷的不锈钢管，同时清洗污垢较为方便，管径从传热流体力学角度考虑，在给定壳体内使用小直径管子，可以得到更大的表面密度，但大多数流体会在管子表面上沉积污垢层，尤其管内冷却水水质较差，泥沙和污物的存在，都可能会在管壁上形成沉积物，将传热恶化并使定期的清洗工作成为必要，管子清洗限制管径最小约为20mm，对给定的流体，污垢形成主要受管壁温度和流速的影响，为得到合理的维修周期，管内侧水的流速应在2m/s左右（视允许压降的要求）。
板式换热器的冷却水和被冷却水在波纹板的两侧对流，波纹采用人字形波纹，这些传热板的波纹斜交，即在相邻的传热板上具有倾斜角相同而方向不同的波纹。沿流动方向横截面积是恒定的，但是由于流动方向不断变化致使流道形状改变，而引起湍流。一般传热板的波纹深度为3～5mm，湍流区流速约为0.1～1.0m/s，波纹板很薄，厚度为0.6～1mm，相邻板间要有许多接触点，以承受正常的运行压力，相邻的板有相反方向的人字形沟槽，两种沟槽的交叉点就形成接触点，这样还可消除振动，并且在促进湍流和热交换的同时，消除了由于疲劳裂缝引起的内部泄漏。人字形波纹板湍流度较高，高湍流还能充分发挥清洗作用，可以特别有效的将沉积污垢减至最小，但是波纹板的接触点较多，当液体水质差，含有悬浮的固体颗粒、杂物和水草等时，由于板间隙很窄，所以要尽可能地保证将所有2mm以上颗粒在进入换热器以前，都要过滤掉，假如滤网不能有效地发挥作用，就容易发生堵塞。
3.2传热系数的比较
管壳体换热器中，一种流体横向掠过管子通过管壁与管内流动的另一种流体换热，彼此垂直交叉流动，其传热系数一般为1000～3000w/（m2k）。
板式换热器中，冷却水侧与被冷却水侧流动均匀湍流，两种流体逆向流动，由于波纹的作用引起湍流，从而产生高传热率，高阻力压降以及高切应力场，这将导致抑制污垢在传热面上形成。其传热系数一般为3500～5500w/（m2k），由此，可节省换热器的换热面积。
3.3端差比较
管壳式换热器传热端差（即冷却水进口温度和被冷却水出口温度差）为5℃左右。
板式换热器由于它的结构特点可以经济地做到低至1℃的端差。
3.4冷却水量比较
管壳式换热器一般冷却水量和被冷却水量之比为1.2～2.5∶1。
板式换热器，由于两种介质流道基本相同且传热效率高，因此板式换热器可大大降低冷却水量，一般冷却水量和被冷却水量之比为0.8～1.1∶1，这样可以降低开式冷却水管道阀门和开式水泵的安装运行费用。
4、技术经济比较
仅就换热器型式而言，管式板式各有优劣，从设计上均属可行，各工程的选择须结合其可靠性、经济性以及布置条件等因素综合而定。本工程的开式冷却水的用水设备均布置在汽机房0m，为确保汽轮机及发电机本体辅助设备稳定运行，在考虑设置开式冷却水升压泵前提下，对以下两种配置方案进行经济比较：
方案一：采用2×65％换热面积管壳式闭冷器，设开式水升压泵；
方案二：采用2×65％换热面积板式闭冷器，设开式水升压泵。
方案一和方案二相比，总运行费用可节约43.98万，初投资费用增加约46万。单台机组方案二与方案一相比综合收益为2.02万元。
5、结论
（1）本工程循环冷却水采用二次循环冷却系统，水源取自地表水。冷却水系统推荐采用小闭式。
（2）为保证冷却设备安全稳定运行，本工程开式冷却水系统考虑设置开式冷却水升压泵。
（3）通过技术经济比较，在本工程水质条件下，闭式循环冷却水热交换器采用管壳式或采用板式均可行，板式换热器换热效率高，介质流阻损失小，结构紧凑，虽然年运行费用较管式换热器略有增加，但初投资费用要低于管式换热器，单台机组采用板式换热器较管式换热器比综合收益为2.02万元。
因此，本工程辅机冷却水系统按照小闭式冷却水系统配置，设2×65％换热面积的板式换热器，设置开式冷却水升压泵。
参考文献
[1] GB50660-2011，大中型火力发电厂设计规程[S].北京：中国计划出版社，2011.
[2] DL/T5054-1996，火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，1996.
论文作者:苏伟
论文发表刊物:《防护工程》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/13
标签：冷却水论文; 换热器论文; 管壳论文; 开式论文; 波纹论文; 系统论文; 热交换器论文; 《防护工程》2017年第10期论文;