整體(軋制)型螺旋翅片管應(yīng)用于鍋爐對流傳熱部件的研究

劉新合，周樹茂

（1．華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450015；2．河南省賽福爾 （Sapphire） 科技有限公司, 河南 鄭州 450000）

電站鍋爐省煤器、低溫省煤器，余熱鍋爐省煤器、蒸發(fā)器等均屬于對流傳熱部件，其結(jié)構(gòu)型式為多排蛇形管束，安裝布置于鍋爐尾部煙道內(nèi)，通過吸收煙氣余熱，預(yù)熱鍋爐給水和蒸發(fā)蒸汽。為最大限度吸收利用煙氣余熱，越來越多地采用增加對流傳熱管束煙氣側(cè)面積的方式進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。目前，用于制作省煤器等強(qiáng)化傳熱部件的管束元件，有H型翅片管、高頻焊接翅片管和整體（軋制）型螺旋翅片管等。由于后者面世時間較短，業(yè)內(nèi)對其性能特點(diǎn)、設(shè)計(jì)選型方法以及傳熱效果認(rèn)識較少。以下對整體（軋制）型螺旋翅片管的技術(shù)性能、基于此管的熱力計(jì)算方法及工程實(shí)例效果進(jìn)行論述。

一、整體（軋制）型螺旋翅片管及性能特點(diǎn)

1.整體（軋制）型螺旋翅片管是采用多棍滾壓軋制技術(shù)，坯管經(jīng)中頻加熱后連續(xù)軋制而成。翅片管表面平整光滑，翅片與基管R圓角過渡；金相組織為鐵素體+珠光體，組織致密，金屬文理連續(xù)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.性能特點(diǎn)。

(1)傳熱效率高

軋制出的翅片使傳熱管表面積增加5倍以上。翅片剖面呈梯形，符合傳熱梯度規(guī)律。翅片和基管一體，不存在H型翅片管、高頻焊接翅片管焊縫所造成的熱阻。所以整體（軋制）型螺旋翅片管比其他型式傳熱管具有更高的傳熱效率。

影響對流傳熱效率的另一個主要因素，是傳熱管束的灰污厚度。對于整體（軋制）型螺旋翅片管，當(dāng)煙氣氣流橫向沖刷管束時，由于翅片與基管的R圓角過渡，在齒槽間會形成渦旋，加之螺旋翅片根部所形成的軸向風(fēng)速，使得整體（軋制）型螺旋翅片管具有一定的自清作用，不易積灰。

圖2是西安交通大學(xué)多相流國家實(shí)驗(yàn)室《氣流橫向沖刷管束時飛灰沉積特性的試驗(yàn)研究》關(guān)于整體（軋制） 型螺旋翅片管、H型翅片管、針翅管的飛灰沉積特性試驗(yàn)研究成果。

從圖2得出結(jié)論：錯列布置的整體（軋制）型螺旋翅片管、順列布置的整體（軋制） 型螺旋翅片管積灰輕微；其次是錯列、順列布置的H型翅片管；針翅管積灰嚴(yán)重。

(2)使用壽命長

以20#（GB3087） 為例，經(jīng)過軋制加工后，整體（軋制）型螺旋翅片管的機(jī)械強(qiáng)度σs由原坯管的260MP提高到450MP，材料表面硬度由HV170提高到HV250。由此，整體（軋制）型翅片管省煤器比H型翅片管、高頻焊翅片管、光管具有更強(qiáng)的承壓能力和更高的耐磨性能，使用壽命顯著提高。

另據(jù)相關(guān)研究，煙氣氣流橫向沖刷對流傳熱管束時，管束磨損與煙氣流速ω的3.22次方成正比，因此降低煙氣流速是解決管束磨損的有效途徑之一。在吸熱量保持不變的情況下，由于整體(軋制)型螺旋翅片管具有強(qiáng)化傳熱的功能，可大幅度減少傳熱管束的橫向和縱向管排數(shù)量，因此煙氣流速有所降低，磨損量減小。如朝陽發(fā)電廠2#爐省煤器改造后，在省煤器吸熱量有所增加的情況下，煙速降低了0.7m/s，大大減輕了省煤器的磨損，提高了省煤器的使用壽命。

二、整體（軋制）型螺旋翅片管熱力計(jì)算方法及管束布置

1.以省煤器為例，其計(jì)算步驟如下。

(1)已知省煤器進(jìn)口煙氣溫度，并假定省煤器煙氣出口溫度，查表求出其焓值，然后按煙氣側(cè)熱平衡方程式Qrp=φ(I"-I'+△αI0lf)求出煙氣放熱量。其中φ為鍋爐保熱系數(shù)，I"和I'分別為省煤器進(jìn)出口煙氣焓值，△α為省煤器漏風(fēng)系數(shù)，I0lf為環(huán)境溫度下空氣焓值。

(2)已知省煤器工質(zhì)進(jìn)口溫度，按工質(zhì)側(cè)熱平衡式求出工質(zhì)出口焓值及溫度。

(3)根據(jù)煙氣和工質(zhì)的進(jìn)出口溫度及煙道尺寸情況大致布置受熱面，可求出工質(zhì)及煙氣的平均溫壓△T、煙氣和工質(zhì)的流速及受熱面積H等。

(4)計(jì)算省煤器受熱面的傳熱系數(shù)K。

(5)根據(jù)傳熱方程式確定受熱面的傳熱量Qcr，Qcr=K×H×△T。

對于省煤器，△Q＜2%時，迭代計(jì)算完畢。

上述(4)對流受熱面的傳熱系數(shù)計(jì)算仍沿用原蘇聯(lián)鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法，其公式為

式中：K——傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；

α1zs、α2zs——煙氣和工質(zhì)側(cè)折算放熱系數(shù)，kW/(m2·K)；

H、Hn——煙氣和工質(zhì)側(cè)總比表面積，m2。

由于鍋爐受熱面中煙氣側(cè)熱阻總是遠(yuǎn)大于工質(zhì)側(cè)，因此，按照標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算省煤器時，將1/α2zs忽略。此時，傳熱系數(shù)K=α1zs。

而α1zs取決于煙氣對管壁的對流放熱系數(shù)αd、翅片參數(shù)及灰垢層熱阻，公式如下

式中：α1zs——煙氣側(cè)折算放熱系數(shù)，kW/(m2·K)；

Hlb/H——煙氣側(cè)翅片表面積與煙氣側(cè)全部表面積之比；

E——表征翅片傳熱量有效程度的參數(shù)，也稱翅片傳熱效率。其值取決于翅片形狀、厚度以及材質(zhì)的熱導(dǎo)率等因素；

μ——沿高度翅片厚度變化的影響系數(shù)；

Hg/H——管子無翅片部分面積與煙氣側(cè)全部表面積之比，Hg/H=1-Hlb/H；

φ1b——考慮翅片表面放熱不均勻的影響系數(shù)，對于整體（軋制）型螺旋翅片管，建議取0.85；

αd——翅片表面對流放熱系數(shù)，省煤器熱力計(jì)算時僅考慮對流傳熱，kW/(m2·K)；

ξ——污染系數(shù)，(m2·K)/kW。根據(jù)上海理工大學(xué)、西安交通大學(xué)等相關(guān)機(jī)構(gòu)和人員對整體(軋制)型螺旋翅片管灰污形成機(jī)理研究和試驗(yàn)，擬合了該管的污染系數(shù)公式

式中：ω——煙氣流速m/s。

2.管束布置型式。

根據(jù)研究成果和工程實(shí)踐，使用整體(軋制)型螺旋翅片管制作的傳熱管束，在煙道風(fēng)場中采用錯列布置，更有利于煙氣氣流的均勻，避免煙氣走廊的產(chǎn)生。同時可有效減輕灰污沉積。

三、應(yīng)用實(shí)例及效果

某75t/h循環(huán)流化床鍋爐省煤器改造所選用整體(軋制)型螺旋翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖3。按照上述計(jì)算步驟和鍋爐實(shí)際空間要求，整體(軋制)型螺旋翅片管省煤器管束采用錯排布置，橫向17排，節(jié)距122mm，縱向12排，節(jié)距75mm，管子受煙氣橫向沖刷面積1 619.9m2，煙氣流速ω約7.79m/s，計(jì)算傳熱系數(shù)K=α1zs=0.055 8kW/(m2·K)。

該鍋爐省煤器改造安裝后于2012年8月開始運(yùn)行至今，改造前后省煤器運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

四、結(jié)論

第一，選用整體型(軋制)螺旋翅片管作為對流傳熱管束元件時，熱力計(jì)算中，按照以上給出的傳熱系數(shù)K和灰污系數(shù)ξ的計(jì)算方法，得出的計(jì)算結(jié)果符合工程實(shí)際。

第二，整體型(軋制)螺旋翅片管應(yīng)用于對流傳熱部件，其傳熱效率、抗積灰性能、耐磨性能及使用壽命均高于其他類型的翅片管。

表1 某75t/h流化床省煤器改造前后運(yùn)行參數(shù)比較

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