Теплообменники. Инжиниринговая компания ЛОТОС
Снижение энергозатрат производств и значительное уменьшение выбросов
тепла в атмосферу на фоне качественного улучшения жизни людей на Земле…
Статья
с внешнего источника

Пластинчатые теплообменники в паротурбинных установках

Теплообменные аппараты паротурбинных установок (ПТУ) являются крупногабаритным, металлоемким, дорогостоящим и наукоемким оборудованием.

Теплообменники в значительной степени определяют компоновку, эффективность и надежность работы ТЭС в целом. По оценкам ВТИ и МЭИ, при неизменных параметрах свежего пара и пара промперегрева вклад в общее повышение КПД ПТУ, полученный за счет улучшения характеристик теплообменных аппаратов (конденсаторов, подогревателей сетевой воды, подогревателей системы регенерации, маслоохладителей и др.), может достигать 30% [1—4].  Большинство теплообменных аппаратов в схемах ПТУ (и ТЭС в целом), исключая деаэраторы и смешивающие ПНД, имеют кожухотрубную конструкцию, являясь аппаратами рекуперативного типа [1, 2]. Критерием оценки современного уровня разработок (и реализации) рекуперативных конденсирующих теплообменных аппаратов в схемах ПТУ с точки зрения их тепловой эффективности принято считать значения недогревов воды до температуры насыщения пара на номинальном режиме работы аппаратов (ПТУ) [1—4], которые не должны превышать, 0С, для:

  1.  Конденсаторов — 8,0;
  2.  Подогревателей:       
  • низкого и высокого давления — 1,5,
  • сетевой воды (горизонтальных) — 3,5,
  • сетевой воды (вертикальных) и сальниковых — 10,0.

Для водоохлаждаемых маслоохладителей в схемах ПТУ критерием, характеризующим их тепловую эффективность, принято считать значение температуры масла на выходе их аппарата (не более 450С) при температуре охлаждающей воды на входе в аппарат, равной 330С [2, 3].

Критериями оценки современного уровня разработок (и реализации) рекуперативных теплообменных аппаратов в схемах ПТУ с точки зрения их надежности и долговечности принято считать следующие показатели [1—4]:

  • Установленный срок службы — не менее 30 лет;
  • Межремонтный период (между капитальными ремонтами) — не менее 50 000 ч.;
  • Средняя наработка на отказ — не менее 16 000 ч.;
  • Коэффициент готовности — не менее 0,99.

Для маслоохладителей ПТУ к одним из основных критериев надежной работы, наряду с вышеперечисленными, относится их герметичность.

Считаем, что на основе именно этих критериев и следует оценивать целесообразность реализации (внедрения) любых предложений по совершенствованию теплообменных аппаратов ПТУ как на этапе их проектирования (разработки), так и в условиях эксплуатации (при модернизации или замене).

Анализ и обобщение таких работ применительно к кожухотрубным (рекуперативного типа) теплообменным аппаратам ПТУ достаточно подробно представлены в [1—4].

Пластинчатые теплообменные аппараты, поверхность теплообмена которых образована из пакетов параллельно расположенных гофрированных пластин, известны достаточно давно [5—9]. Гофрированные поверхности пластин по мнению авторов этих работ приводит, прежде всего, к увеличению поверхности теплообмена, а также — к некоторой интенсификации теплообмена за счет изменения гидродинамики потоков и разрушения вязкого пограничного слоя теплоносителей. Отдельные пластинчатые теплообменные аппараты с небольшой поверхностью теплообмена ранее применялись в системах теплоснабжения коммунальных хозяйств, однако, в схемах ПТУ (на ТЭС) никогда не использовались.

В последнее время появились достаточно много предложений, в основном — рекламного характера, по использованию пластинчатых теплообменных аппаратов ПТУ (на ТЭС) [10—18*] в качестве:

  • ПНД систем регенерации;
  • Подогревателей сетевой воды;
  • Маслоохладителей;
  • Сальниковых подогревателей;
  • Подогревателей химически очищенной воды.

В настоящей статье, на основе анализа и обобщения информации об эффективности и надежности пластинчатых теплообменных аппаратов, сформулированы представления авторов о целесообразности их применения в схемах ПТУ (на ТЭС).

Авторы материалов, усиленно рекламирующих и предлагающих пластинчатые теплообменные аппараты, как правило, подчеркивают следующие их преимущества (в сравнении с кожухотрубными):

  1. Более высокий (в 3—5 раз) коэффициент теплопередачи, что, естественно, должно предопределять меньшие массогабаритные характеристики аппаратов;
  2. Более высокую надежность аппаратов;
  3. Простоту эксплуатации и обслуживания.

Ниже представлен анализ этих факторов, в том числе с позиций возможности применения пластинчатых теплообменных аппаратов в схемах ПТУ (на ТЭС).

Достижение высоких значений коэффициентов теплопередачи в рассматриваемых аппаратах (до 20 кВт/м2к) с точки зрения современных представлений науки по теплообмену вполне возможно. Это определяется особенностями их (аппаратов) конструкцией, в частности — малыми размерами каналов (1,5—5,0 мм), а также их профилированием (гофрированием), что в совокупности предопределяет высокую степень турбулизации теплоносителей.

Такие высокие значения коэффициентов теплопередачи, естественно, предопределяют и меньшие массо-габаритные характеристики пластинчатых аппаратов. Однако (!), авторы всех рассматриваемых материалов [10—18] умалчивают о значениях гидравлических потерь в трактах пластинчатых аппаратов, которые по данным [19—24] существенно (в разы) выше, чем у аналогичных кожухотрубных аппаратов. Это вполне естественно в узких каналах с искусственной шероховатостью при высокой степени турбулизации теплоносителей. Между тем, повышение общего гидродинамического сопротивления в схемах ПТУ, которое может возникать при замене кожухотрубных аппаратов на пластинчатые, считаем нецелесообразным, т. к. практически все насосы в схемах современных ПТУ работают на пределе своих возможностей, а величина расхода электроэнергии на собственные нужды ТЭС в отдельных случаях уже достигает 6—7 %, что в современных условиях экономически невыгодно.

Надежность работы оборудования ПТУ (и ТЭС в целом) является в настоящее время одним из основных требований как при разработке (проектировании), так и при его эксплуатации (в т. ч. при модернизации оборудования). Утверждения авторов работ [10—18] о более высокой надежности пластинчатых аппаратов по сравнению с кожухотрубными базируется на их более высокой коррозионной стойкости (по утверждению тех же авторов). Это в определенной степени естественно, т. к. пластинчатые аппараты, как правило, изготавливаются из коррозионно-стойких материалов: нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы и т. п.

Никаких других показателей надежности пластинчатых аппаратов авторы вышеуказанных работ не приводят. Между тем известно [1—4, 19—24], что современные кожухотрубные теплообменные аппараты ПТУ, трубные системы которых (в отдельных случаях и корпуса) изготавливаются из аналогичных материалов (сплавов), имеют показатели надежности значительно превышающие аналогичные показатели ранее изготавливаемых аппаратов. Сравнивая показатели надежности пластинчатых и кожухотрубных аппаратов необходимо также иметь в виду, что по данным [20—24] пластинчатые теплообменники весьма чувствительны к гидро- и термоударам, а также к механическим воздействиям со стороны присоединительных трубопроводов. Кожухотрубные же аппараты современных конструкций этого недостатка не имеют.

Эксплуатация и техническое обслуживание теплообменных аппаратов ПТУ в условиях ТЭС, как правило, сводится к решению вопросов загрязнения и очистки, разборки и сборки аппаратов, а также ремонту элементов их конструкций.

Авторы работ [10—18], обобщая в основном опыт эксплуатации пластинчатых теплообменных аппаратов в пищевой, фармацевтической и холодильной промышленности, а также данные по отдельным аппаратам в системах горячего водоснабжения жилищно-коммунальных хозяйств утверждают, что пластинчатые аппараты:

  • Практически не загрязняются или загрязняются незначительно; химический состав воды, а также скорости движения теплоносителей при этом не указываются;
  • Легко разбираются;
  • Быстро чистятся; способы очистки не указываются;
  • Не имеют никаких проблем при ремонте и сборке.

Эти данные по нашему мнению дают только качественную характеристику вопросов эксплуатации пластинчатых аппаратов без какого либо указания конкретных параметров и режимов их работы, без сопоставления с аналогичными данными для кожухотрубных аппаратов и, опять же, носят в основном рекламный характер. При этом в большинстве вышеприведенных работ указывается, что ремонт и очистку пластинчатых аппаратов желательно осуществлять силами специализированных организаций, фактически — поставщиками (изготовителями) аппаратов.

Считаем, что такая постановка важнейших вопросов эксплуатации пластинчатых теплообменных аппаратов (ремонт и очистка) принципиально неправильна, т. к. практически исключает оперативный ремонт аппаратов силами эксплуатационного (ремонтного) персонала.

Необходимо иметь в виду, что существующая на ТЭС РФ система технического обслуживания энергооборудования регламентируется рядом нормативных документов и предполагает проведение персоналом станций работ по оперативному контролю состояния этого оборудования и его ремонту. Применительно к теплообменным аппаратам ПТУ к таким работам относятся периодические испытания аппаратов, сопоставление параметров их состояния с нормативными характеристиками, устранение мелких неисправностей, очистку аппаратов и (часто) замену (отглушение) трубок.

Претензии изготовителей пластинчатых теплообменников на полное сервисное обслуживание аппаратов, включая оценку состояния, устранения незначительных неполадок и очистку, делает станцию заложником предприятия-изготовителя аппаратов, увеличивая стоимость технического обслуживания одного элемента паротурбинных установок.

Перевод же только одной группы оборудования ПТУ на иную систему технического обслуживания кроме удорожания услуг может привести к снижению показателей надежности ТЭС в целом за счет уменьшения оперативности в решении ряда вопросов, связанных с эксплуатацией данной группы оборудования (уменьшение коэффициента готовности).

Переход же ТЭС в целом на другую (относительно новую) для отечественной энергетики систему сервисного обслуживания энергетического оборудования должен решаться комплексно, в первую очередь для основного оборудования (турбина, котел).

Кроме того, по мнению ряда специалистов, анализировавших весь комплекс сравнительных показателей пластинчатых аппаратов в сравнении с кожухотрубными [19—24], именно в условиях эксплуатации пластинчатых аппаратов проявился целый ряд принципиальных факторов, негативно их характеризующих:

  • Пластинчатые аппараты, работающие на сетевой воде (в системах теплоснабжения) и на циркуляционной воде (известны отдельные случаи применения их в качестве маслоохладителей), загрязняются гораздо быстрее кожухотрубных (на ряде объектов разборку и чистку аппаратов пришлось осуществлять через каждые (!) 12—14 часов работы); при этом подчеркивается, что чистить их существенно труднее;
  • Для химической промывки (очистки) пластинчатых аппаратов нужны дорогие промывочные растворы и специальные (как правило — фирменные) промывочные устройства;
  • Разборка, ремонт и сборка пластинчатых аппаратов является очень трудоемким и дорогостоящим процессом и в основном определяется необходимостью установки новых прокладок, которые очень дороги (до 30 % стоимости аппарата), имеют сложную форму и протяженность в десятки раз большую, чем у кожухотрубных аппаратов (при этом общее количество разборок — сборок аппаратов ограничено); кроме того указывается, что для выполнения всех этих работ требуется высококвалифицированный, специально обученный персонал;
  • На случай аварийного нарушения герметичности пластинчатых аппаратов их необходимо закрывать защитными кожухами (экранами) специальных конструкций а под аппараты устанавливать специальные лотки, что осложняет доступ к аппаратам и их ремонт; такие кожухи (экраны) и лотки, как правило, поставляют заводы-изготовители аппаратов;
  • Необходимы большие дополнительные площади в цехах вблизи пластинчатых аппаратов для их ремонта, т. к. нужна их полная разборка для организации ревизии всех элементов конструкции; в этом случае эффект относительно лучшей компактности пластинчатых аппаратов по сравнению с кожухотрубными фактически сводится «на нет»;
  • Уровень тепловой эффективности пластинчатых аппаратов не превышает аналогичных показателей для современных кожухотрубных аппаратов, а стоимость пластинчатых аппаратов выше (по данным [22], например, в 3 раза), чем у кожухотрубных при одинаковой величине поверхности теплообмена (F ≤ 400 м2);
  • Известен явно отрицательный опыт эксплуатации примерно 30 пластинчатых аппаратов (в основном — в различных системах горячего теплоснабжения в коммунальных хозяйствах как минимум 10 городов и поселков РФ), когда после непродолжительного периода их использования (не более 1—2 лет), аппараты были демонтированы и заменены на кожухотрубные; имеются данные об отрицательном опыте применения пластинчатых аппаратов и за рубежом (Англия, Франция, Италия);
  • Общая эксплуатационная надежность пластинчатых аппаратов существенно ниже, чем у кожухотрубных; по данным [10], например, в ряде крупных европейских городов не разрешается установка разборных пластинчатых аппаратов (за исключением особых случаев) из-за их низкой надежности.

В дополнение к вышеизложенному считаем необходимым сформулировать также ряд собственных соображений авторов настоящей статьи.

  1. Отсутствуют представительные данные по результатам сравнительных балансовых испытаний пластинчатых и кожухотрубных аппаратов одинаковой поверхности теплообмена в условиях эксплуатации (по типу межведомственных). Отдельные ссылки на такие данные дают лишь качественную оценку и носят откровенно рекламный характер.
  2. Отсутствуют нормативные документы (ОСТы, РД, РТМ и т. п.), регламентирующие методики расчета и эксплуатации пластинчатых аппаратов. Во всех известных материалах (публикациях) разработчики — поставщики аппаратов предлагают обращаться по всем вопросам к ... (!) разработчикам. Такая постановка вопроса с нашей точки зрения принципиально недопустима, т. к. не позволяет объективно оценить уровень разработок (как научный, так и инженерный). Кроме того, невозможно провести поверочный расчет аппаратов применительно к конкретным условиям эксплуатации и, следовательно, сопоставить реальные показатели работы аппаратов с расчетными.
  3. Нет оценки уровня разработок и реализации (внедрения) пластинчатых аппаратов в сравнении с кожухотрубными с позиций принятых в энергетике критериев (см. выше). Приводимые различными источниками электронный научный журнал «Исследовано в России» разработчиками пластинчатых аппаратов данные противоречивы, а отдельные (например, данные по общей надежности работы аппаратов и их гидродинамическому сопротивлению в различных условиях эксплуатации) вызывают большие сомнения.

Не отрицая принципиальную возможность применения (использования) пластинчатых аппаратов в отдельных случаях, например, в системах коммунального хозяйства ЖКХ при технически чистой воде, считаем, что современное состояние разработок и не поддающийся систематизации опыт эксплуатации пластинчатых теплообменных аппаратов (разрозненный и чаще всего противоречивый), при практически полном отсутствии такого опыта в энергетике, показывает нецелесообразность в настоящее время применения пластинчатых аппаратов в схемах ПТУ (на ТЭС).

Необходима координация работ всех заинтересованных сторон в проведении совместных комплексных исследований пластинчатых теплообменных аппаратов, прежде всего, с позиций принятых в энергетике критериев.

Литература

  1. Назмеев Ю. Г., Лавыгин В. М., Теплообменные аппараты ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1998. — 286 с.;
  2. Теплообменники энергетических установок: учебник для вузов.; К. Э. Аронсон, С. Н. Блинков, В. И. Брезгин и др., под ред. Ю. М. Бродова. Екатеринбург: Изд-во «Сократ», 2003. — 986 с.;
  3. Повышение эффективности и надежности теплообменных аппаратов паротурбинных установок. — 3-е изд., перераб. и доп.; Ю. М. Бродов, К. Э. Аронсон, Г. Д. Бухман и др. Екатеринбург: Изд-во Президиума УрО РАН, 2004. — 456 с.;
  4. Бродов Ю. М. Совершенствование рекуперативных теплообменных аппаратов паротурбинных установок на различных этапах их жизненного цикла // Теплоэнергетика. 2005. № 5. 20—23 с.;
  5. Барановский Н. В., Коваленко Л. М., Ястребеницкий А. Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. — М.: Машиностроение, 1973. — 288 с.;
  6. Radge C., Chand G. Consider the plate heat exchanger. // Chemical engineering, 1980, № 8;
  7. Применение пластинчатых теплообменников в системах теплоснабжения / Зингер Г. М., Сиротенко В. А., Тарадий А. М., Кульбаченко Н. Л. // Водоснабжение и санитарная техника, 1981, № 6, 16—18 с.;
  8. Пластинчатые теплообменные аппараты: Каталог. М.: ЦИНТИхимнефтехиммаш, 1983. — 56 с.;
  9. Аппараты теплообменные пластинчатые. Типы, параметры и основные размеры. ГОСТ 15518—87 // ИПК Изд-во стандартов, Москва, 1987, 30 с.; переиздано с изменениями, 1999 г.;
  10. Паяный или разборный? // ЭСКО. Электронный журнал энергосервисной компании «Энергетические системы», 2003 г., № 4 (http: // esco - ecosys. narod. ru / 2003 - 4/ art 185/htm);
  11. Пластинчатые теплообменники Альфа Лаваль. Есть ли предел совершенству? // Теплоэнергоэффективные технологии, Санкт-Петербург, 2003, № 1, 40-44 с.;
  12. Преимущества использования пластинчатых теплообменников концерна АРV на теплоэлектростанциях и в централизованном теплоснабжении // Рекламный буклет компании АРV. Изд-во Моск. представительства АРV. — 11 с.;
  13. Пластинчатые теплообменники производства «Теплотекс» ГУП «Мостеплоэнерго». Комплексный подход к применению пластинчатых теплообменников в системах теплоснабжения // Рекламный буклет — 12 с.;
  14. Преимущества теплообменников Ридан // Рекламный буклет. — 5 с. Инновационный подход к применению теплообменного оборудования на ТЭС //Реклама в журнале «Электрические станции», 2005, №8. 91—92 с.»
  15. Разборные пластинчатые теплообменники VT. // Рекламный буклет группы компаний «Промэнерго» — 7 с.
  16. Шелен. Пластинчатые теплообменники. Рекламные материалы производственно-консалтингового предприятия «Шелен» // http: //www.shelen.ru/side 25. html. — 2 с.;
  17. Пластинчатые теплообменники — Промышленная группа «Генерация». Рекламные материалы // http://generation/ru/kotov 2. php. — 8 с.;
  18. Пластинчатые теплообменники. Проектирование, разработка технологии изготовления. Рекламные материалы предприятия «Инженер» //— 2 с.;
  19. Беляков В. К., Винокур И. А., Степин Н. М. Новое в производстве теплообменного оборудования для систем теплоснабжения г. Москвы // Промышленное и гражданское строительство, 1995, № 3;
  20. К вопросу выбора типа водо-водяных подогревателей для систем теплоснабжения / Пермяков В. А., Пермяков К. В., Якименко А. Н., Нейбургер А. Н. // Промышленная энергетика, 2000, № 4, с. 37—44;
  21. Барон В. Г. Тонкостенные теплообменные интенсифицированные аппараты — альтернатива пластинчатым теплообменникам // Теплоэнергоэффективные технологии, 2003, № 4, с. 52—55;
  22. Дрейцер Г. А. О некоторых проблемах создания высокоэффективных трубчатых теплообменных аппаратов // Материалы V Минского межд. форума по тепло- и массообмену 24—28 мая 2004 г., том 2, с. 288—289;
  23. В. Г. Барон. Легенды и мифы современной теплотехники. Пластинчатые теплообменные аппараты и кожухотрубные аппараты ТТАИ // Новости теплоснабжения, 2004, № 8 (48);
  24. Отечественные кожухотрубные подогреватели нового поколения для технического перевооружения систем теплоснабжения / Пермяков В. А., Пермяков К. В., Боровков В. М., Кошелев С. М. // Промышленная энергетика, 2004, № 11, с. 22—30.

Бродов Ю. М., Уральский государственный технический университет — УПИ; Пермяков В. А., НПО ЦКТИ

Rosteplo.ru

 

Трубное пространство теплообменных аппаратов Lotus

Для интенсификации теплообмена и исключения образования отложений в трубном пространстве оборудования Lotus организуется оптимальное увеличение скорости потока.

Скоростное турбулентное движение среды с образованием макровихрей (высокие значения Рейнольдса), создает эффект самоочищения теплообменной поверхности, что сохраняет коэффициент теплоотдачи неизменным на протяжении всего срока службы теплообменного оборудования Lotus (см. схему).

 

Из схемы наглядно видно, что при ламинарном движении среды в трубном пространстве, характеризуемом низким значением критерия Рейнольдса, теплоотдача осуществляется за счет теплопроводности. Такая система имеет минимальные значения коэффициента теплоотдачи.

Читать целиком