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(jié)構(gòu)，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(huán)進行發(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，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(yōu)點，相關(guān)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(shù)的前提下，盡量減少鈦管的重量，從而提高經(jīng)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(tǒng)分析了不同換熱管規(guī)格對總費用的影響。

1、設計參數(shù)

LNG 發(fā)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(shù)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(jù)工程經(jīng)驗，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(lián)構(gòu)成。 海水汽化器的總傳熱熱阻：

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)比較高，海水側(cè)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(nèi)部換熱管道內(nèi)壁結(jié)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(nèi)壁結(jié)垢后才能進行清洗，且沒有預防管道內(nèi)壁結(jié)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(shù)下運行。經(jīng)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(nèi)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(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(jié)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(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、φ19 mm×1.5 mm、φ14 mm×1.5 mm、φ12 mm×1.5 mm 四種不同換熱管規(guī)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(guī)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(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)，無相變的流體在管內(nèi)作湍流流動時，可用下式計算αi

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，將計算結(jié)果繪制于圖2 ~ 3。

根據(jù)Q = KAΔTm，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ΔTm 的獲得，由于殼程流體發(fā)生相變，不能采用對數(shù)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(qū)和過熱區(qū)。在氣化區(qū)和過熱區(qū)可以分別采用對數(shù)傳熱溫差計算平均溫差。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，設備固定投資也逐漸降低，似乎應該選擇φ10 mm×1.5 mm 的小規(guī)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?shù)毓I(yè)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。

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、換熱管長度 [5-6]，具體公式為：

2.3.3 設備全生命周期費用

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

從圖9中可以看出，當換熱管外徑為19 mm時，總費用最低，因此最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19 mm× 1.5 mm。

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格昂貴的鈦材，可以節(jié)省設備投資。

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)比較高，海水側(cè)污垢熱阻對總體熱阻的貢獻值很大，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，水泵的運行費用逐漸增加，因此，小換熱管需要較大的運行費用。

作為制造廠，在換熱器工藝計算的過程中，不能只考慮設備的制造成本，還需要考慮換熱器全生命周期的費用，以總費用為最優(yōu)目標，得到最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19 mm×1.5 mm。

參考文獻

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[3]W. M. 羅森諾. 傳熱應用手冊[M]. 北京：科學出版社， 1992.[3]

[4]E. U. 施林德爾. 換熱器設計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版[4] 社， 1988.

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[6]董哲生. 流體在工業(yè)管道中流動沿程阻力計算的研究[J]. 江[6] 西能源， 2006， 23 （3）：26-27， 23.