燃煤電廠低溫省煤器應(yīng)用現(xiàn)狀與改進(jìn)

文_謝慶亮 袁素華 王正陽 程鴻 朱堯

1.福建龍凈環(huán)保股份有限公 2.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠

經(jīng)過近幾年國內(nèi)電力行業(yè)的實(shí)踐與發(fā)展，低低溫電除塵器因其除塵效率高、改造成本小、工況適應(yīng)性好、高效協(xié)同脫除SO3等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)燃煤機(jī)組。低低溫電除塵器配套的低溫省煤器可將煙氣溫度由低溫狀態(tài)降低至低低溫狀態(tài)，對于電除塵器的高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。然而低溫省煤器普遍存在的換熱管束磨損泄漏、局部腐蝕、積灰等現(xiàn)狀，影響到電除塵器的正常穩(wěn)定運(yùn)行，甚至影響了超低排放的效果，燃煤電廠低溫省煤器的升級改造迫在眉睫。

1 燃煤電廠低溫省煤器應(yīng)用現(xiàn)狀

燃煤電廠低溫省煤器布置在除塵器前，處理的煙氣含塵濃度一般為10 ～50g/m3，粉塵濃度較高。據(jù)統(tǒng)計，已投運(yùn)的161臺低溫省煤器中，超過40%的項目暴露出泄漏的問題，出現(xiàn)泄漏的平均時間為2～3 年。目前針對低溫省煤器的泄漏還未開發(fā)出非常有效的檢測裝置，因此一旦換熱管發(fā)生泄漏無法及時被發(fā)現(xiàn)，冷卻水將源源不斷的進(jìn)入煙道中，影響低低溫電除塵器及機(jī)組的安全運(yùn)行。

造成低溫省煤器泄漏的主要原因?yàn)橛心p、局部腐蝕、安裝制造缺陷等，主要表現(xiàn)在磨損泄漏、局部腐蝕泄漏和受熱面積灰3 個方面。

磨損發(fā)生的重點(diǎn)部位為煙氣走廊、支托板及側(cè)板、迎風(fēng)面及背風(fēng)面中下部等氣流不均處，出現(xiàn)磨損的主要原因包括設(shè)計不合理、換熱器煙氣變向引起的顆粒濃度集中等。

局部腐蝕主要是硫酸氫銨腐蝕、膨脹端彎頭酸腐蝕等。超低排放改造后，由于氨逃逸問題，部分機(jī)組出現(xiàn)硫酸氫銨在低溫省煤器上粘附、積灰、堵塞，造成阻力上升。換熱器膨脹端由于管子與孔板間有空隙，粉塵容易進(jìn)入到膨脹端，而煙氣也容易經(jīng)由縫隙流出，再由下游的縫隙流回到換熱器形成短路。由于膨脹端內(nèi)煙氣受冷，酸性氣體冷凝，進(jìn)而對彎頭產(chǎn)生腐蝕。

由于硫酸氫銨粘附堵塞等原因造成換熱器積灰而運(yùn)行阻力超標(biāo)，而膨脹側(cè)由于結(jié)構(gòu)原因易積灰。

針對低溫省煤器磨損、泄漏、積灰等現(xiàn)狀，現(xiàn)有技術(shù)一般采用流場優(yōu)化、材料或結(jié)構(gòu)改進(jìn)等增強(qiáng)其防磨、防漏性能。

2 采用流場優(yōu)化技術(shù)改進(jìn)低溫省煤器

低溫省煤器入口煙道一般存在大范圍渦流，可能會導(dǎo)致煙道內(nèi)積灰。低溫省煤器上游及內(nèi)部也可能存大渦流，不僅影響換熱管換熱效率，還存在換熱管磨損的隱患。

采用流場優(yōu)化的方式可消除大范圍的渦流，降低局部高風(fēng)速，提高換熱效率及防磨性能。該技術(shù)雖然可在一段時間內(nèi)減輕磨損，延長管束使用壽命，但是一旦某根管泄漏，冷卻水還是會進(jìn)入煙道，不能根本解決磨損、泄漏問題。

3 采用材料或結(jié)構(gòu)改進(jìn)低溫省煤器

耐磨型管殼式低溫省煤器是針對換熱管采取多種強(qiáng)化防磨措施，通過增強(qiáng)換熱管的耐磨性能來達(dá)到延長換熱管的使用壽命。方法有噴涂防磨涂料、應(yīng)用新型耐磨換熱管束等。

例如在低溫省煤器防磨重點(diǎn)部位加裝防磨假管、防磨瓦等替代磨損措施，可延長使用壽命，或采用整體式螺旋翅片管作為防磨結(jié)構(gòu)。整體（軋制）型螺旋翅片管采用多輥滾壓軋制技術(shù)，具有更強(qiáng)的承壓能力和耐磨性能。

無論換熱管采取何種強(qiáng)化防磨措施，雖能一段時間內(nèi)減輕煙塵對換熱管的磨損，但是由于其采用大流量或全流量的凝結(jié)水進(jìn)入換熱管束內(nèi)部換熱，一旦出現(xiàn)泄漏，大量凝結(jié)水仍將從泄漏點(diǎn)進(jìn)入煙道，對機(jī)組的安全運(yùn)行造成威脅。另外，有限腐蝕法的工業(yè)應(yīng)用證明其在控制低溫腐蝕上具有一定的效果，但由于機(jī)組的變工況運(yùn)行及部分項目的運(yùn)行智能化欠缺，導(dǎo)致低溫省煤器出現(xiàn)一定的低溫腐蝕。因此，傳統(tǒng)低溫省煤器已經(jīng)不能滿足穩(wěn)定、高效運(yùn)行的要求。而新型熱管式低溫省煤器利用真空重力式熱管作為換熱元件，有冷卻水零泄漏的優(yōu)點(diǎn)，可提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備安全性。

4 新型熱管式低溫省煤器

4.1 工作原理

新型熱管式低溫省煤器采用重力熱管作為超導(dǎo)換熱元件，提高了換熱的性能，同時保證了低溫省煤器上下游設(shè)備的安全。

如圖1 所示，熱管底部的蒸發(fā)段吸收煙氣熱量，液態(tài)工作介質(zhì)吸熱蒸發(fā)后上升至冷凝段放熱，冷凝后的液體工作介質(zhì)在重力作用下回到底部重新吸熱蒸發(fā)，周而往復(fù)。煙氣和冷凝段冷卻水集箱之間由絕熱段的隔板分隔，冷卻水側(cè)設(shè)置特制的套管組件進(jìn)行獨(dú)立完全隔離，套管與絕熱段隔板互不相通，實(shí)現(xiàn)了雙重物理隔離的安全使用要求。此外，熱管省煤器可以根據(jù)不同煙氣參數(shù)調(diào)整冷熱兩側(cè)的傳熱面積，避免了由于壁溫過低導(dǎo)致的腐蝕問題。同時，該結(jié)構(gòu)亦方便拆卸裝配，便于維修保養(yǎng)。

圖1 重力式熱管工作原理

4.2 熱管式低溫省煤器結(jié)構(gòu)

4.2.1 水側(cè)結(jié)構(gòu)

真空熱管低溫省煤器的水側(cè)常見結(jié)構(gòu)為圓形水箱、方形水箱結(jié)構(gòu)及套管(圖2）。選擇主要依據(jù)為安全可靠，通過流通水壓計算出的耐壓能力確定。真空熱管低溫省煤器的冷凝段流通介質(zhì)常為汽輪機(jī)低加系統(tǒng)的凝結(jié)水，一般大型機(jī)組的凝結(jié)水設(shè)計壓力為2 ～6．4MPa，屬于中高壓。圓形水箱可滿足該設(shè)計壓力，但僅適用于機(jī)組規(guī)模較小的場合，機(jī)組規(guī)模較大時，占地大且技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差。方形水箱無法滿足該設(shè)計壓力，可通過設(shè)置雙回路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力減小，但需增設(shè)循環(huán)泵、水-水換熱器等，設(shè)備初期投資及運(yùn)行成本較高。

圖2 套管結(jié)構(gòu)

套管結(jié)構(gòu)可滿足該設(shè)計壓力，冷凝水通過套管結(jié)構(gòu)直接與熱管冷凝段進(jìn)行換熱。如圖2 所示，每根熱管冷凝段的外部都套上一個管，同時在上下各設(shè)有上集箱和下集箱，每一排熱管組件的上下集箱之間通過連接管相互連接形成冷卻水的流通水路。冷卻水總體與煙氣方向成逆流狀，此外，套管及上下集箱的圓管結(jié)構(gòu)可提高水速，進(jìn)而提高換熱效率。

4.2.2 煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)

熱管式低溫省煤器處于粉塵濃度較高的工況下，換熱器在煙道內(nèi)部采用豎直布置，常規(guī)的H 型翅片管或螺旋翅片管均容易發(fā)生積灰，建議煙氣側(cè)采用開齒螺旋翅片管結(jié)構(gòu)。

開齒螺旋翅片管在其螺旋翅片上均勻地開許多小口，管壁面上的槽道對翅片壁面上的流體邊界層進(jìn)行切割與分離，增大了湍流度，積灰和結(jié)垢現(xiàn)象減少，傳熱得到強(qiáng)化。

4.3 輔助應(yīng)用措施

4.3.1 流場優(yōu)化

傳統(tǒng)低溫省煤器磨損泄漏的主要原因是氣流分布不均，為了使改造后的熱管式低溫省煤器流場更加流暢，采用CFD 流線型煙風(fēng)道技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.3.2 熱管失效監(jiān)測

低溫省煤器長期運(yùn)行引發(fā)的設(shè)備故障是一個緩慢的過程，傳統(tǒng)的檢測手段無法做到實(shí)時監(jiān)測和提前預(yù)警。通過智慧環(huán)保全生命周期管理技術(shù)對熱管式低溫省煤器等設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)數(shù)據(jù)偏差時發(fā)出故障預(yù)警，停爐期間對失效熱管進(jìn)行再生或更換，確保設(shè)備高效正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

低溫省煤器換熱管管束磨損泄漏、局部腐蝕、積灰等現(xiàn)狀一直是換熱器，包括鍋爐省煤器等設(shè)備需要重點(diǎn)考慮的問題，本文提出采用熱管式低溫省煤器的綜合改進(jìn)思路，解決了傳統(tǒng)低溫省煤器因泄漏影響機(jī)組安全運(yùn)行的問題。熱管式低溫省煤器具有換熱效率高、冷卻水零泄漏、風(fēng)險低、節(jié)能減排效益顯著的優(yōu)點(diǎn)，在余熱利用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。