根据冀东油田唐海矿区锅炉房的改造要求，对 使用的大功率一体式真空供暖锅炉的换热器结构进 行优选设计。换热器被加热介质为自来水，该真空 锅炉功率为14 MW，根据热工计算，得出与锅炉匹 配的换热器的换热管尺寸为：外径 19 mm，长 7 670 mm，数量初步确定为1 200根；螺纹烟管外 径60 mm，长6 400 mm，数量为240根；波纹炉胆 内径 1 800 mm，长 6 400 mm；换热器管程设计压 力1.0 MPa，以水压试验1.25 MPa作为计算压力。 在换热管、炉胆、烟管尺寸大小和长度确定 后，换热管的布置方式及换热器结构形式对锅炉直 径大小有决定性影响，所以要进行换热器结构的优 选设计。



基于小体积的目标并参考小型加热炉用换热器 的通用结构提出了五种方案。
（1）方案一：单圆形法兰换热器。换热器的法 兰采用常见的单圆形法兰结构，换热器截面周围空 余面积较大，锅炉筒体直径4 620 mm。
（2）方案二：双圆形法兰换热器。设置两个圆 形法兰，即两个换热器共同放置在一个筒体内，换 热器截面周围空余面积较大，但比方案一小，锅炉 筒体直径3 600 mm，筒体壁厚初算需22 mm。
（3）方案三：矩形法兰换热器。换热器的外形 为矩形，即法兰结构形式为矩形，锅炉筒体直径 3 900 mm，换热器截面周围空余面积较大。
（4）方案四：月牙形法兰换热器。依照筒体的 弧形设计出换热器法兰的结构形式，因此，换热器 的外形也带弧形，锅炉筒体直径3 350 mm，筒体壁厚初算需18 mm，换热器截面周围空余面积得到较 充分的利用。
（5）方案五：异形法兰结构换热器。同样依照 筒体弧形创新设计出此结构形式，因此，换热器的 外形也是异形的，锅炉筒体直径3 350 mm，筒体壁 厚初算需18 mm，换热器截面周围空余面积得到较 充分的利用。

（1）筒体直径对比。对比结构设计方案可以看 出，单圆形法兰结构换热器的筒体直径最大，月牙 形法兰结构与异形法兰结构换热器的筒体直径最 小，且都为3 350 mm。


（2）锅炉重量对比。计算每一种方案最后生产 的锅炉的重量（预计）可以发现，由方案一生产的 锅炉最重，超过 70 t，而方案五生产的锅炉最轻， 仅约46 t。
（3）优、缺点对比。依据各方案换热器所生产 的锅炉优、缺点对比分析见表1。从表1对比可以 看出，前三种方案都可以从标准中找到例子来参 考，即这些结构都是常见且成熟的，但对于本项目 来说不可取，因为它们的缺点是明确的，与本项目设计目标背道而驰。

利用 Solidworks 软件对异形法兰进行实体建 模，然后进入 Solidworks Simulation 建立新算例， 为法兰选定的材料为普通碳钢，夹具为螺栓孔，在 法兰内壁面施加1.25 MPa的压力，网格化后，运行 算例，得到异型法兰应力云图，见图2。 通过软件有限元模拟计算结果可以看出，异型 法兰处于1.25 MPa的内部压力时，最大应力区在底 部直边中间部分，但最大应力也低于材料的许用应 力，因此所设计的异形法兰结构是满足强度要求的。

（1）由于采用了异型法兰的结构，使该大功率 真空供暖锅炉结构紧凑、外形尺寸小、安装方便、 节约材料，不仅实现了旧锅炉原位置安装，而且满足了现场空间小的安装要求。
（2）经过一个采暖期的运行，该异型法兰未出 现强度、刚度失效现象，证明该异型法兰的结构方 案是可行的。