来源：市场资讯

（来源：CSPPLAZA光热发电平台）

9月10日-12日，由ESPLAZA长时储能网主办的第三届中国长时储能大会在浙江湖州盛大召开，武汉东海石化重型装备有限公司副总工程师、研发中心主任周川出席会议，并作《高效缠绕管式换热器在物理储能领域中应用》主题演讲。

▲周川

武汉东海成立于2007年，是一家从事能源、化工装备研发、设计与制造的高新技术企业。公司持有A1级压力容器生产及固定式压力容器规则设计许可证，通过了ISO9001、ISO14001、ISO45001体系认证，获得了ASME“U”、“U2”钢印及“NB”授权证书。

在核心技术层面，武汉东海自主开发绕管式换热器工艺计算软件，累计获得绕管工艺计算、结构设计、制造加工相关专利50余项，并深度参与起草NB/T10938-2022《绕管式热交换器》行业标准，从理论设计到行业规范构建了自主技术体系。作为公司主打产品，高效缠绕管式换热器与大型列管式换热器的市场认可度显著——近五年已为各类工业装置提供超1000台绕管换热器，在储能领域更可精准适配压缩空气储能、熔盐热泵储能、熔盐二氧化碳储能等储换热系统，为长时储能项目提供核心设备支撑。

从技术沉淀到能力突破，武汉东海用十年时间完成了缠绕管式换热器的全链条研发：2012年至2022年，公司完成了对缠绕管式换热器从理论研究、试验模拟、软件开发到工程运行数据标定、软件校正、行业标准编写等工作；期间通过产学研合作模式，联合科研机构对绕管换热器的热工计算、管束模态分析、热固耦合分析、流致振动分析及大型化技术展开深度攻关，最终突破多项关键技术瓶颈。

目前，武汉东海设计制造的缠绕管式换热器已达到行业领先的参数水平：最大设计压力28MPa、最高设计温度730℃、最大设备直径5米、最大长度28米、最大换热面积30000㎡、最大设备重量500吨；凭借技术实力与市场表现，公司连续三年获评“湖北省换热器单项冠军企业”，并多次承担国家级、省级重点能源项目的核心换热设备研发任务。

依托深厚的技术积累，周川在演讲中进一步从技术原理、产品优势及设计要点等维度，阐述了高效缠绕管式换热器在长时物理储能场景中的核心价值。

1

缠绕管式换热器技术特点

绕管式换热器的核心组成包括壳体与管束体两部分，其中管束体由换热管、管板、中心筒、垫条及卡箍等构成。根据管板形式的不同，可将其分为单股流整体管板、多股流分区管板、多股流分体式管板三类，适配不同流体换热需求。

相较于传统换热器，缠绕管式换热器的技术优势与长时物理储能的“高效、紧凑、稳定”需求高度契合，具体体现在六个方面：

1、结构紧凑，空间利用率高：单位体积可容纳170-200 m2换热面积，远高于传统换热器，尤其适配储能项目“占地受限”场景；

2、多种介质换热：最多可实现10种流体同时参与换热，满足储能系统中“热-电-冷”多能耦合需求；

3、很强的热补偿能力：应力水平低，耐疲劳能力强，换热管与管板焊缝泄露风险小；

4、易实现大型化：到目前为止，单台最大面积已达到30000m2；单台设备即可满足300MW、600MW级压缩空气储能系统需求，减少设备台数与系统复杂度；

5、传热强度大，传热系数高：管侧流体在螺旋管内流动会形成二次环流，垫条和换热管交错布置会对壳侧介质形成扰流，强化传热；

6、壳侧阻力降低：流体流动方向无明显横向阻力损失，减少风机/泵的能耗，降低系统运行成本。

尽管技术优势显著，但缠绕管式换热器在实际运行中也曾出现泄漏、振动失效、磨损等问题。

对此周川指出：“缠绕管换热器的设计不能仅聚焦热工计算与制造工艺，忽略全工况验证。事实上，完整的设计体系需覆盖五大核心维度，才能确保设备适配储能场景的长周期运行需求。”

这五大设计维度具体包括：

1、热工计算/流场分析：热工计算/流场分析主要是为了确定换热系统边界条件（温度、压力、流量），确保基础参数适配；

2、绕管换热管热膨胀分析：针对压缩空气储能、熔盐储能等轴向温度梯度较大的场景进行热膨胀分析，计算热位移；

3、有限元应力分析：验证结构在疲劳工况（如频繁起停）、变工况（如负荷波动）下的强度安全，确保其长周期运行能力；

4、热机糅合分析：在熔盐储能等高温场景中，涉及到应力与机械的糅合分析以确保高温工况下的安全性；

5、管束模态分析：解决流体流经管束产生的振动问题（如旋涡脱落、湍流激振、弹性激振），通过优化管箱间距、弯曲半径、螺旋角、链条数量等几何尺寸，提升缠绕管式换热器抗振动、抗冲刷能力。

周川指出：“武汉东海自2018年起便开始研究不同几何约束尺寸对绕管抗流致振动的影响规律，成功开发出了抗振型绕管换热器，极大提升了绕管换热器管束的使用寿命。”

2

缠绕管式换热器在压缩空气储能中的应用

从系统角度，压缩空气储能需关注功率、占地面积、电电转化效率与建设成本；从储换热设备角度，则需重点考量传热效率和阻力降、压力和温度能力、抗疲劳和波动能力、成本和占地空间、抗振动抗堵塞能力、长周期运行能力这六大因素。

当前主流发夹式换热器适用于高温高压条件下，可实现全逆流换热，但也同时具备紧凑度低、占地面积大、尾部支撑易引发振动失效等缺陷；

周川将发夹式、错流式、板翅式等主流换热器与缠绕管式换热器进行了详细对比：

依托中科院在贵州毕节的压缩空气储能项目，对缠绕管式换热器进行数据标定，得出以下结论：

1、以四级储热方案为例，在允许压降下，绕管换热器的传热效率大概在250~600W/m2k；

2、低压情况下光管绕管换热器相比错流式翅片管换热器优势并不明显，但绕管可以通过强化管技术进一步提升空气侧的传热效率；

3、中高压工况下或者有复用工况下，绕管式换热器在空间、造价、长周期运行等方面有明显优势。

3

缠绕管式换热器在熔盐储能中的应用

熔盐储能可以将能量以热能的形式存储在高温介质中，在需要时可以转化为电能或以热水、蒸汽等热能形式释放。在光热发电、火电灵活改造、清洁供热等方面具有巨大应用潜力。

缠绕管式换热器在熔盐储能中可适配光热发电、火电灵活改造、清洁供热等场景，核心价值在于“集成化设计降本+提升可靠性”。

周川介绍道：传统方案应用中，以SGS蒸汽发生系统为例，其预热器、蒸发器采用固定管板式换热器，过热器、再热器采用发夹式换热器，该方案存在金属用量大、造价高、抗疲劳能力弱等问题，且设备台数多、系统复杂度高。

针对100MW光热发电项目，周川指出：相比传统方案，采用绕管式换热器与列管换热器可节省30%以上金属重量和造价。且换热管与管板应力水平更低，抗热冲击和抗疲劳能更强。

此外，东海方案可将原两台管壳式过热器/再热器整合为“多股流缠绕管式换热器”：

小管板+柔性管束结构可满足光热机组“每分钟30℃”的快速启停需求；单位体积换热面积提高了一倍以上，占地面积急剧缩小；立式设计，采用了混凝土立柱支撑混凝土和钢结构用量急剧减小，整体造价可以降低30%~50%，且可实现超大型化应用。

此外，针对100MW超临界二氧化碳熔盐储能项目，武汉东海创新多股流设计可以满足熔盐二氧化碳换热器个性化设计需求：如机组A、B两条线，可将原两台换热器耦合为一台设备，支持“双线同时运行”或“一开一停”，提升系统灵活性，相比普通列管换热器，耐高温、耐高压、变工况能力更强。

4

高参数下储换设备的设计要点

周川对比压缩空气储能、液态空气储能、超临界二氧化碳熔盐储能系统优缺点后表示：“超临界二氧化碳熔盐储热系统将成为未来主流的发展方向。”

他解释道：“超临界二氧化碳熔盐储能系统在能量密度和储能效率上均高于液化空气储能，且系统体积占地面积相对较小，可更加灵活地部署，同时可将二氧化碳变废为宝兼具环保性。”

此外，超临界二氧化碳熔盐储能系统在压缩过程中物性参数随压力温度的变化较大，压力高、压比大。随着设备效率和参数提升，其转换效率也将获得明显提升。

但该系统在设计中，需更加关注其高压、高温、疲劳、快速起停、腐蚀、超临界状态六大参数。

周川解释道：以上六个参数，单独设计时难度较小，一旦耦合在一起，则将带来极大挑战，不止储换热设备，压缩机、透平机均面临类似问题。

其中，蠕变断裂和蠕变疲劳等失效机制易被忽视，需重点关注：

什么情况下需要考虑蠕变断裂和蠕变疲劳的影响？

以光热机组常用的347H材料为例：

当没有疲劳时，设计温度小于595℃，蠕变产生的影响不显著，可以忽略；

当疲劳存在时，设计温度大于425℃，蠕变效益可能因为疲劳而放大，需要考虑蠕变与疲劳的交互影响。

如何评判蠕变疲劳及其影响？

周川指出：通过“应力评定、应变评定、蠕变-疲劳交互评定”验证，核心采用“线性累积损伤机制”——横坐标为疲劳累积损伤，纵坐标为蠕变累积损伤，两者交点在限值下方即合格。

什么情况下需要考虑棘轮和疲劳-棘轮交互影响？

周川首先对棘轮展开解释：棘轮是压力容器在高参数情况下的一种失效模式。这种失效模式是在恒定机械载荷+循环热应力作用下，产生的渐进性塑性累积损伤。这种损伤能使设备在少数几个循环下便出现损伤，部分“设计寿命30年”的设备使用仅半年便已有故障出现；

参考我国《压力容器分析设计标准》GB/T4732-2024及美国ASME标准，通过“棘轮边界图”（横坐标为恒定机械载荷，纵坐标为循环热弯曲应力）评定，结构力学行为分为“弹性区、弹性安定区、疲劳区、棘轮区、垮塌区”；

周川特别指出：“许多人误认为‘满足安定准则（一次应力+二次应力＜2倍屈服强度）即可以防止出现棘轮失效’，实际当恒定机械载荷无量纲值＞0.5（除以材料屈服强度）时，仅满足安定准则是不安全的，仍可能进入棘轮区，需额外验证。”

通过高温有限元分析比对，武汉东海缠绕管式换热器在保证设备安全稳定的前提下，金属重量与造价相比普通列管换热器可以降低30%-50%。缠绕管式换热器针对高温高压熔盐储能工况，对于防止蠕变断裂、过度蠕变变形、蠕变棘轮和蠕变疲劳等失效模式具有极其显著的优势。