LNG被公認(rèn)是地球上最干凈的化石能源，但是基于我國(guó)富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)，最近我國(guó)大量進(jìn)口LNG。LNG在氣化的同時(shí)，可以利用其冷源，通過(guò)卡諾循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。該工藝涉及到海水換熱器，為了保證發(fā)電平穩(wěn)，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(diǎn)，用做制藥及食品等用途的換熱器。由于鈦的抗腐蝕能力強(qiáng)，所以換熱器的使用壽命長(zhǎng)，并且在使用中維護(hù)費(fèi)用也低。此外，因其具有體積小、換熱能力大等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)設(shè)備（如泵）的投資及運(yùn)行費(fèi)用也能相應(yīng)減少[1]。

鈦管換熱管的價(jià)格為127元/kg，S30408換熱管的價(jià)格為17.2元/kg，價(jià)格昂貴，因此在進(jìn)行鈦管換熱器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在滿足工藝參數(shù)的前提下，盡量減少鈦管的重量，從而提高經(jīng)濟(jì)性[2]。

筆者在設(shè)計(jì)鈦管換熱器的過(guò)程中，需要考慮到，如何減少工程總造價(jià)，主要包括設(shè)備固定投資和運(yùn)行費(fèi)用。基于此，筆者在保證傳熱要求的前提下，系統(tǒng)分析了不同換熱管規(guī)格對(duì)總費(fèi)用的影響。

1、設(shè)計(jì)參數(shù)

LNG發(fā)電項(xiàng)目由煙臺(tái)某電力公司總包，我公司負(fù)責(zé)熱工計(jì)算，要求換熱余量至少10%。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2、換熱器工藝計(jì)算

2.1換熱器管殼程流體分配

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，凡是接觸海水介質(zhì)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(duì)流傳熱熱阻、管壁和污垢的導(dǎo)熱熱阻，以及管壁與冷流體的對(duì)流傳熱阻串聯(lián)構(gòu)成。海水汽化器的總傳熱熱阻：

R=1/K=1/α₁+R_is+δ/λ+R_os+1/α₀（1）

式中R——總傳熱熱阻，m²·K/W；

K——總傳熱系統(tǒng)，W/m²·K；

α_i，α₀——分別為管壁內(nèi)外流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m²·K；

R_is，R_os——分別為管壁內(nèi)外的污垢熱阻，m²·K/W；

δ——管壁厚度，m；

λ——管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)比較高，海水側(cè)污垢熱阻對(duì)總體熱阻的貢獻(xiàn)值很大，基于此，設(shè)計(jì)過(guò)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(nèi)部換熱管道內(nèi)壁結(jié)垢后一般采用化學(xué)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(nèi)壁結(jié)垢后才能進(jìn)行清洗，且沒(méi)有預(yù)防管道內(nèi)壁結(jié)垢的功能。

清洗時(shí)需設(shè)備停運(yùn)后才能進(jìn)行清洗除垢等操作，清洗除垢過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)且對(duì)設(shè)備損傷較大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、費(fèi)用較高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)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(jìn)行在線清洗，可以保證換熱器在高傳熱系數(shù)下運(yùn)行。經(jīng)過(guò)與在線清洗廠家咨詢，一臺(tái)在線清洗裝置需要10萬(wàn)元，管內(nèi)污垢熱阻可以從原來(lái)的0.000352m²·k/W降低至0.000088m²·k/W。表2為采取這兩種不同污垢熱阻的設(shè)計(jì)結(jié)果。

從表2可以看出，采用膠球在線清洗裝置可以

節(jié)省換熱器管束費(fèi)用308.8-242.1=66.7萬(wàn)。綜合考慮在線清洗裝置投資10萬(wàn)元，可以節(jié)省費(fèi)用56.7萬(wàn)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(jié)構(gòu)。考慮到固定管板結(jié)構(gòu)，冷熱流體傳熱接近逆流，且管殼程壁溫不大，不需要設(shè)置膨脹節(jié)，所以確定換熱器型式為單管程BEM結(jié)構(gòu)。

2.3換熱管規(guī)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、φ19mm×1.5mm、φ14mm×1.5mm、φ12mm×1.5mm四種不同換熱管規(guī)格，分別進(jìn)行工藝計(jì)算。

2.3.1設(shè)備固定投資費(fèi)用

在保證換熱性能的前提下，分別應(yīng)用HTRI8.1進(jìn)行傳熱計(jì)算，得到換熱器規(guī)格，由于鈦管價(jià)格昂貴，設(shè)備固定投資近似等于換熱管費(fèi)用，將結(jié)果列于表3。

根據(jù)雷諾數(shù)判斷，這四種規(guī)格換熱管的管內(nèi)海水處于湍流狀態(tài)，無(wú)相變的流體在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，可用下式計(jì)算α_i[4]：

從上式可以看出，隨著管內(nèi)徑的減小，總傳熱系數(shù)不斷增大，將計(jì)算結(jié)果繪制于圖2~3。

根據(jù)Q=KAΔT_m，式中Q[3]為換熱量，K為總傳熱系數(shù)，已經(jīng)獲得，關(guān)鍵是對(duì)ΔT_m的獲得，由于殼程流體發(fā)生相變，不能采用對(duì)數(shù)傳熱溫差公式計(jì)算，只能采取分段計(jì)算方法，分別計(jì)算殼程氣化區(qū)和過(guò)熱區(qū)。在氣化區(qū)和過(guò)熱區(qū)可以分別采用對(duì)數(shù)傳熱溫差計(jì)算平均溫差。根據(jù)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(zhì)量逐漸降低，設(shè)備固定投資也逐漸降低，似乎應(yīng)該選擇φ10mm×1.5mm的小規(guī)格管子。但設(shè)計(jì)換熱器不僅僅要考慮固定費(fèi)用，還需要考慮設(shè)備全周期的費(fèi)用，因此必須要考慮運(yùn)行費(fèi)用。

2.3.2設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

取設(shè)備壽命為20年，查得當(dāng)?shù)毓I(yè)用電單價(jià)為0.85元/kw·h，海水的體積流量為0.3m³/s，管程壓降分別按照水力計(jì)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(yùn)行費(fèi)用P=i×c，式中P代表運(yùn)行費(fèi)用，i代表耗電量，c代表用電單價(jià)，如表4所示。

從表6中可以看出，隨著管徑的減小，管內(nèi)徑的壓降逐漸增加。管內(nèi)壓降的影響因素包括流速、流體物性、換熱管長(zhǎng)度[5-6]，具體公式為：

2.3.3設(shè)備全生命周期費(fèi)用

從圖7~8和表5可以看出，隨著管外徑的增加，水泵運(yùn)行費(fèi)用不斷減少，設(shè)備固定投資不斷增加，無(wú)法判斷最優(yōu)管規(guī)格，基于此，以總投資費(fèi)用為縱坐標(biāo)，作圖如圖9所示。

從圖9中可以看出，當(dāng)換熱管外徑為19mm時(shí)，總費(fèi)用最低，因此最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19mm×1.5mm。

3、結(jié)論

綜上所述，接觸海水介質(zhì)的流體放在管程，可以避免殼程使用價(jià)格昂貴的鈦材，可以節(jié)省設(shè)備投資。

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)比較高，海水側(cè)污垢熱阻對(duì)總體熱阻的貢獻(xiàn)值很大，綜合考慮清洗裝置投資，使用在線清洗裝置。

隨著管內(nèi)徑的減少，總傳熱系數(shù)不斷增大，管束重量逐漸降低，因此，小換熱管需要較小的固定投資。

隨著管徑的減小，管內(nèi)徑的壓降逐漸增加，水泵的運(yùn)行費(fèi)用逐漸增加，因此，小換熱管需要較大的運(yùn)行費(fèi)用。

作為制造廠，在換熱器工藝計(jì)算的過(guò)程中，不能只考慮設(shè)備的制造成本，還需要考慮換熱器全生命周期的費(fèi)用，以總費(fèi)用為最優(yōu)目標(biāo)，得到最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19mm×1.5mm。

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