氟塑料換熱器在火電站中的應(yīng)用實(shí)踐

樊鵬，李優(yōu)，謝杰

(1.北京新世翼節(jié)能環(huán)保科技股份有限公司，北京 100176； 2.南海長海發(fā)電有限公司，廣東 佛山 528212)

氟塑料換熱器在火電站中的應(yīng)用實(shí)踐

樊鵬1，李優(yōu)1，謝杰2

(1.北京新世翼節(jié)能環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，北京 100176； 2.南海長海發(fā)電有限公司，廣東 佛山 528212)

介紹了一種針對電廠煙囪冒白煙和石膏雨問題而設(shè)計(jì)的新型氟塑料零泄漏水媒式煙氣再熱(MGGH)系統(tǒng)，詳述了氟塑料換熱器特點(diǎn)、系統(tǒng)工藝組成、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行性能等幾方面內(nèi)容。通過對投運(yùn)后氟塑料MGGH系統(tǒng)的換熱效果、煙風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行阻力、低負(fù)荷工況輔助蒸汽耗量、系統(tǒng)漏風(fēng)率等4方面進(jìn)行性能測定和分析。結(jié)果表明，氟塑料MGGH系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)性能值，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性強(qiáng)，有效解決了煙囪冒白煙和石膏雨的問題。

氟塑料；換熱器；火力發(fā)電；煙氣再熱

0 引言

伴隨著全球工業(yè)化水平的提高和大量化石能源的消耗，人類的生存環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，大氣污染(霧霾天)、水污染等問題日漸突出?；鹆Πl(fā)電站作為國內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)的主要載體，為我國工業(yè)化進(jìn)程做出了巨大貢獻(xiàn)，但受限于燃煤尾氣的處理技術(shù)，在排空的煙氣中依然含有大量的硫化物、氮氧化物和水分等成分。隨著火力發(fā)電站的長期運(yùn)轉(zhuǎn)，積累的有害排放物對大氣環(huán)境造成的影響也逐漸顯現(xiàn)出來，空氣質(zhì)量急轉(zhuǎn)直下，霧霾天氣與日俱增，人類生存與社會發(fā)展矛盾日益突出。

為了改善由工業(yè)發(fā)展而帶來的環(huán)境問題，很多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。目前，火力發(fā)電行業(yè)主要研究及應(yīng)用成果包括脫硫、脫銷、除塵、除石膏雨等技術(shù)，其中王愛軍等人[1]、楊奇文[2]、馬雙忱[3]通過對影響鍋爐脫硫效率的因素進(jìn)行分析研究，建立了脫硫效率預(yù)測模型，并提出了提高脫硫效率的相關(guān)措施。宋闖等人[4]通過分析幾種脫硝技術(shù)的工作原理及使用特點(diǎn)，為用戶選擇適合的脫硝技術(shù)提供了理論指導(dǎo)；高巖等人[5]通過研究不同工況下一種蜂窩狀選擇性催化還原技術(shù)(SCR)催化劑的活性性能，確定了催化劑的活性變化規(guī)律，并提出了提高脫硝效率的措施。

趙海寶等人[6]通過對低低溫電除塵系統(tǒng)進(jìn)行研究，明確了多種因素之間的相互影響關(guān)系。熊英瑩等人[7]通過實(shí)驗(yàn)測定和數(shù)值模擬方法研究了濕式相變冷凝除塵技術(shù)對不同粒徑粉塵的脫除性能。吳炬等人[8]結(jié)合實(shí)例對混合式煙氣再熱技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，明確了其相較于傳統(tǒng)煙氣換熱器(GGH)的優(yōu)點(diǎn)，為火電廠消除“石膏雨”提供了新的選擇。孫志春[9]從傳統(tǒng)GGH堵塞機(jī)理出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)測定和數(shù)值模擬研究了除霧器的性能和鼓泡塔(JBR)的控制方式對GGH運(yùn)行的影響，提出了一套解決GGH堵塞的技術(shù)方案。安康[10]通過對GGH的結(jié)垢物成分進(jìn)行分析，確定了影響GGH的結(jié)垢的主要因素，并提出了一系列預(yù)防和減緩GGH結(jié)垢的措施。通過這一系列煙氣處理技術(shù)的應(yīng)用，環(huán)境污染現(xiàn)象得到了一定程度的緩解。然而這并未從根本上解決環(huán)境污染的問題，環(huán)保技術(shù)自身存在的缺陷隨著實(shí)踐的深入逐漸突顯，其中主要問題之一就是金屬GGH裝置的腐蝕、泄漏、堵塞等，已成為火電站技改的重要內(nèi)容。

本文旨在通過引入一種新型柔性氟塑料管換熱器來解決國內(nèi)傳統(tǒng)金屬GGH裝置所存在的運(yùn)行問題。文章基于氟塑料換熱器自身特性、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)分析等幾個(gè)方面，闡明了氟塑料零泄漏水媒式煙氣再熱(MGGH)系統(tǒng)的工作原理及其運(yùn)行性能，并通過本投運(yùn)項(xiàng)目的長期無故障運(yùn)行，說明氟塑料MGGH系統(tǒng)相較于其他GGH技術(shù)具有更好的安全性和可靠性，以期為同類改造項(xiàng)目提供切實(shí)可行的技術(shù)支持和解決方案。

1 氟塑料換熱器簡介

氟塑料作為一種高分子材料，因其特殊的分子結(jié)構(gòu)而具有特別的物化特性：強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、高熱阻、低摩擦系數(shù)和良好的表面不黏性。隨著氟塑料產(chǎn)品加工工藝水平的提高，氟塑料被廣泛應(yīng)用于航天、化工、電子、醫(yī)藥和汽車等領(lǐng)域[11]。

上世紀(jì)80年代，歐洲地區(qū)相關(guān)機(jī)構(gòu)經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，開發(fā)出新型氟塑料材質(zhì)換熱器，使得氟塑料產(chǎn)品的應(yīng)用拓展到了工業(yè)換熱器領(lǐng)域。在國內(nèi)，鮑聽等人[12]對氟塑料換熱器在燃煤電站中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究；陳林等人[13]明確了氟塑料換熱器可以解決低溫?zé)煔庥酂岬幕厥諉栴}，并對2種不同形式氟塑料換熱器的換熱性能進(jìn)行了對比分析。

氟塑料種類繁多，性能差異巨大。目前在氟塑料煙氣換熱器產(chǎn)品上應(yīng)用較多的主要有2種氟塑料：可熔性聚四氟乙烯(PFA)和聚四氟乙烯(PTFE)。

與金屬換熱器相比，氟塑料換熱器產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)如下所示。

(1)耐腐蝕：化學(xué)性能極穩(wěn)定，抗蝕性能極好，能耐H2SO4、HCL、王水和一切有機(jī)溶劑，徹底解決了金屬煙氣換熱器的低溫腐蝕問題。

(2)耐高溫：長期安全使用溫度為200～260 ℃。裝置在系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)全工況無障礙投入和停運(yùn)，不影響電廠安全生產(chǎn)。

(3)低阻力：具有極小的摩擦系數(shù)(0.04)，擁有較低的水側(cè)及氣側(cè)阻力。

(4)抗積灰：具有固體材料中最小的表面張力，而且黏附的任何物質(zhì)非常容易清理，壁面清潔，傳熱系數(shù)穩(wěn)定，長期運(yùn)行不降低。

(5)抗結(jié)垢：氟塑料管壁表面光滑且有適度的撓性，使用時(shí)有振動現(xiàn)象，故不易結(jié)垢。

(6)高強(qiáng)度：撓性的氟塑料管能在流體的沖擊和振動中安全工作，調(diào)質(zhì)后的氟塑料管抗拉強(qiáng)度很大，能夠抵抗強(qiáng)烈的擺動和振動。

(7)耐老化：極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，管材使用壽命大于20年。

(8)強(qiáng)傳熱性：氟塑料換熱器采用的是小管徑、薄壁管束(壁厚0.3～1.0 mm)，由此克服了材料本身導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，換熱器整體換熱性能良好。同等換熱量的情況下，氟塑料管換熱器的體積約是金屬管換熱器體積的1/4。

2 氟塑料零泄漏水媒式煙氣再熱(MGGH)系統(tǒng)介紹

2.1 氟塑料MGGH系統(tǒng)簡述

氟塑料MGGH系統(tǒng)主要由氟塑料換熱器本體、熱媒循環(huán)水系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)、補(bǔ)水穩(wěn)壓系統(tǒng)、取樣加藥系統(tǒng)、在線沖洗系統(tǒng)和排污系統(tǒng)等組成，常規(guī)氟塑料MGGH工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 氟塑料MGGH工藝系統(tǒng)

2.2 氟塑料MGGH系統(tǒng)工作原理

氟塑料MGGH系統(tǒng)的核心為2臺氟塑料煙氣換熱器，分別為煙氣冷卻器和煙氣再熱器，煙氣冷卻器布置于煙氣濕法脫硫裝置(FGD)塔前，煙氣再熱器布置于FGD塔后，用管路系統(tǒng)將冷卻器和再熱器接通形成閉式回路，如圖1所示，以除鹽水為載熱介質(zhì)，在循環(huán)水泵的驅(qū)動作用下，低溫除鹽水首先在煙氣冷卻器內(nèi)與高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱交換，吸熱升溫后的除鹽水進(jìn)入煙氣再熱器與低溫?zé)煔馔瓿蔁峤粨Q，除鹽水放熱降溫后經(jīng)循環(huán)水泵回到煙氣冷卻器開啟下一個(gè)循環(huán)。塔前高溫?zé)煔饨?jīng)冷煙氣冷卻器降溫后進(jìn)入FGD塔內(nèi)進(jìn)入脫硫工序，塔后低溫?zé)煔饨?jīng)煙氣再熱器升溫后由煙囪排放，升溫后的煙氣擴(kuò)散能力增強(qiáng)，排放高度提升，從而達(dá)到消除火力發(fā)電廠常見的“冒白煙”和“石膏雨”的目的。

與此同時(shí)，氟塑料MGGH系統(tǒng)還配有若干輔助系統(tǒng)，其中熱媒水循環(huán)系統(tǒng)采用循環(huán)水泵驅(qū)動，為載熱介質(zhì)提供循環(huán)動力。輔助加熱系統(tǒng)在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，給煙氣再熱系統(tǒng)提供熱源補(bǔ)充，由此保證排煙的溫度。補(bǔ)水穩(wěn)壓系統(tǒng)一方面為氟塑料MGGH系統(tǒng)完成上水操作，另一方面在系統(tǒng)運(yùn)行中維持水側(cè)的運(yùn)行壓力，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。取樣加藥系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測循環(huán)水的水質(zhì)情況，當(dāng)水質(zhì)惡化時(shí)，通過加藥裝置向循環(huán)水中加藥來保證循環(huán)水的水質(zhì)。排污系統(tǒng)與取樣加藥系統(tǒng)配合工作，當(dāng)循環(huán)水水質(zhì)惡化時(shí)，可開啟排污系統(tǒng)來改善其水質(zhì)狀況。在線沖洗系統(tǒng)采用高壓在線水沖洗方式，定期對氟塑料換熱管束進(jìn)行沖洗，保證換熱管束表面潔凈度，從而提高氟塑料煙氣換熱器的運(yùn)行效率。

2.3 氟塑料MGGH系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目南海長海發(fā)電廠1臺670 t/h煤粉鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)為改造對象，其原煙氣處理系統(tǒng)流程為脫硝、靜電除塵、石灰石-石膏濕法脫硫和濕電除塵，本MGGH系統(tǒng)在FGD前后水平煙道上各設(shè)置1臺氟塑料煙氣換熱器，來實(shí)現(xiàn)電廠消除煙囪白煙和石膏雨的目標(biāo)，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1～2。

·32·

表1 煙氣設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 MGGH系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 氟塑料MGGH系統(tǒng)運(yùn)行性能

3.1 性能測定方法

本項(xiàng)目氟塑料MGGH系統(tǒng)于2016年2月份正式投運(yùn)，投運(yùn)后一直保持無故障運(yùn)行。為了掌握氟塑料MGGH系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，電廠委托某權(quán)威機(jī)構(gòu)對本系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試，測試內(nèi)容主要圍繞氟塑料MGGH系統(tǒng)煙氣側(cè)阻力、煙氣換熱器進(jìn)出口煙溫、低負(fù)荷輔助加熱蒸汽耗量及換熱器的漏風(fēng)率等幾個(gè)方面展開。

本次性能測試中，在煙氣換熱器進(jìn)出口煙道各設(shè)3個(gè)測孔，每個(gè)測孔分別設(shè)置6個(gè)測點(diǎn)，煙道測孔位置及測點(diǎn)布置情況分別如圖2、3所示。

圖2 煙道測孔位置示意

圖3 截面測點(diǎn)布置示意

本性能測試中，輔助加熱蒸汽的耗量主要通過測量蒸汽母管的蒸汽流量來確定。

3.2 煙氣溫度

煙氣溫度采用K型熱電偶進(jìn)行測量，分別對每個(gè)測孔的6個(gè)測點(diǎn)依次測量，最后求各個(gè)測點(diǎn)溫度的平均值作為該截面的目標(biāo)溫度。

3.2.1 75%～100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況

如圖4～7所示，鍋爐負(fù)荷為527 t/h，未投輔助加熱蒸汽，煙氣冷卻器進(jìn)口煙溫為125.89 ℃，出口煙溫為88.56 ℃，大于85.00 ℃；煙氣再熱器進(jìn)口煙溫為47.48 ℃，出口煙溫為81.26 ℃，大于80.00 ℃。由此可知，氟塑料MGGH系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)的煙溫要求。

圖4 75%～100%BMCR工況下煙氣冷卻器進(jìn)口煙溫曲線

3.2.2 50%～75%BMCR工況

如圖8～11所示，鍋爐負(fù)荷為442 t/h時(shí)，煙氣冷卻器進(jìn)口煙溫為123.59 ℃，出口煙溫為95.07 ℃，為了保證煙氣再熱器出口煙溫達(dá)到80.00 ℃以上，投入了一定量的輔助加熱蒸汽，此時(shí)測得，煙氣再熱器進(jìn)口煙溫為45.82 ℃，出口煙溫為82.93 ℃。

圖5 75%～100%BMCR工況下煙氣冷卻器出口煙溫曲線

圖6 75%～100%BMCR工況下煙氣再熱器進(jìn)口煙溫曲線

圖7 75%～100%BMCR工況下煙氣再熱器出口煙溫曲線

圖8 50%～75%BMCR工況下煙氣冷卻器進(jìn)口溫度曲線

3.3 輔助蒸汽耗量

在機(jī)組50%～75%負(fù)荷工況下，輔助蒸汽加熱系統(tǒng)投入運(yùn)行，每隔5 min，讀取并記錄分布式控制系統(tǒng)(DCS)畫面蒸汽流量讀數(shù)，依次得到13個(gè)蒸汽耗量數(shù)據(jù)，繪制蒸汽耗量曲線如圖12所示，本項(xiàng)工作與3.2中煙溫測試工作同步開展。

圖9 50%～75%BMCR工況下煙氣冷卻器出口煙溫曲線

圖10 50%～75%BMCR工況下煙氣再熱器進(jìn)口煙溫曲線

圖11 50%～75%BMCR工況下煙氣再熱器出口煙溫曲線

圖12 輔助蒸汽耗量曲線

這里取13個(gè)蒸汽耗量數(shù)據(jù)的平均值為輔助蒸汽的目標(biāo)耗量，為1.13 t/h。

為了對標(biāo)設(shè)計(jì)工況下的蒸汽耗量值，須對上述測得的目標(biāo)蒸汽耗量進(jìn)行修正，根據(jù)氟塑料煙氣換熱器的換熱特性，繪制煙氣再熱器的煙溫修正曲線如圖13所示。

圖13 煙溫修正曲線

根據(jù)上述煙溫修正曲線及實(shí)測煙溫?cái)?shù)據(jù)，折合到設(shè)計(jì)工況下，計(jì)算得到低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)MGGH系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的煙溫指標(biāo)所消耗的蒸汽量為0.11 t/h，小于設(shè)計(jì)蒸汽耗量值1.00 t/h。

3.4 煙氣阻力

如圖14所示，當(dāng)鍋爐負(fù)荷為442 t/h時(shí)，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側(cè)阻力之和為612 Pa。當(dāng)鍋爐負(fù)荷為527 t/h時(shí)，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側(cè)阻力之和為669 Pa。鍋爐滿負(fù)荷時(shí)，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側(cè)阻力之和約為765，均低于對應(yīng)工況下煙氣阻力設(shè)計(jì)值。

圖14 煙氣側(cè)阻力曲線

3.5 漏風(fēng)率

本項(xiàng)目中煙氣量采用自動煙塵測試儀進(jìn)行測定，分別對氟塑料煙氣冷卻器和再熱器進(jìn)出口的6個(gè)測孔36個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測量，由此得到換熱器的進(jìn)口煙氣量和出口煙氣量，最終計(jì)算得到煙氣冷卻器和煙氣再熱器的漏風(fēng)率曲線如圖15所示。

圖15 漏風(fēng)率曲線

由圖15可以看出，當(dāng)鍋爐負(fù)荷為442 t/h時(shí)，測得煙氣冷卻器的漏風(fēng)率為0.48%，再熱器的漏風(fēng)率為0.39%；當(dāng)鍋爐負(fù)荷為527 t/h時(shí)，測得煙氣冷卻器的漏風(fēng)率為0.40%，再熱器的漏風(fēng)率為0.51%。取2個(gè)工況下的漏風(fēng)率平均值為目標(biāo)漏風(fēng)率，計(jì)算得到煙氣冷卻器的漏風(fēng)率為0.44%，煙氣再熱器的漏風(fēng)率為0.45%，均小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)漏風(fēng)率0.50%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

由第3部分氟塑料MGGH系統(tǒng)的性能測定數(shù)據(jù)可知，氟塑料MGGH系統(tǒng)的運(yùn)行性能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求如下。

(1)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，未投輔助蒸汽加熱器，煙氣再熱器出口煙溫為81.26 ℃，大于煙溫設(shè)計(jì)值80 ℃。

(2)機(jī)組滿負(fù)荷工況下，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側(cè)阻力之和為765 Pa，小于煙氣阻力設(shè)計(jì)值880 Pa。

(3)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，投入輔助蒸汽加熱器，使得煙氣再熱器出口煙溫>80 ℃，系統(tǒng)消耗輔助蒸汽量為0.11 t/h，小于蒸汽耗量設(shè)計(jì)值1 t/h。

(4)煙氣冷卻器的漏風(fēng)率為0.44%，煙氣再熱器的漏風(fēng)率為0.45%，均小于系統(tǒng)漏風(fēng)率設(shè)計(jì)值0.5%。

本項(xiàng)目運(yùn)行以來，氟塑料MGGH系統(tǒng)未出現(xiàn)換熱管的泄漏、腐蝕和磨損等問題，整體運(yùn)行狀況良好，煙囪冒白煙的現(xiàn)象消失，石膏雨問題也得到徹底解決，為企業(yè)的節(jié)能環(huán)保事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)，給企業(yè)和社會帶來了顯著的環(huán)境效益。

本氟塑料MGGH項(xiàng)目的成功投運(yùn)實(shí)踐，不僅從技術(shù)、設(shè)備、工藝等方面證明了氟塑料換熱器產(chǎn)品在鍋爐尾氣處理方面的可行性和安全性，而且從運(yùn)行效果方面體現(xiàn)了氟塑料換熱器產(chǎn)品良好的運(yùn)行性能，給工業(yè)企業(yè)的節(jié)能改造和環(huán)保升級提供了一項(xiàng)新的選擇，為企業(yè)排放指標(biāo)達(dá)到環(huán)保要求注入了新的動力。

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TM 621

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1674-1951(2017)12-0030-05

2017-04-11；

2017-09-04

(本文責(zé)編：齊琳)

樊鵬(1985—)，男，河北石家莊人，工程師，工學(xué)碩士，從事工業(yè)企業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、設(shè)備的研發(fā)及相應(yīng)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:beyondfanpeng@163.com)。李優(yōu)(1987—)，男，河北石家莊人，工程師，工學(xué)學(xué)士，從事工業(yè)企業(yè)節(jié)能環(huán)保設(shè)備的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:liyou@bjxsy.cn)。謝杰(1987—)，男，廣東湛江人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，從事電廠工程改造及檢修管理方面的工作(E-mail:510773864@qq.com)。