新型熱管低溫省煤器的開發(fā)應用

謝慶亮

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

近十年來，燃煤電廠鍋爐空預器后的低溫省煤器作為一項節(jié)能設備，已得到廣泛的推廣應用。通過低溫省煤器將空預器后的煙溫從120℃～150℃降低至90℃左右，可降低煙氣中粉塵的比電阻值，穩(wěn)定提高電除塵器的除塵效率[1]，協(xié)同脫除煙氣中的SO3、Hg等污染物并回收煙氣余熱，降低機組煤耗。

現(xiàn)有的低溫省煤器基本都是管殼式翅片管結(jié)構(gòu)，煙氣走殼側(cè)，冷卻水走管側(cè)，近十年來的應用實踐暴露了兩個突出問題：

（1）在低溫省煤器主要組成設備中，作為核心換熱元件的換熱管束及翅片，在除塵器前的高濃度粉塵環(huán)境下被連續(xù)沖刷，換熱元件的磨損無法避免，造成換熱元件的使用壽命短，雖然采取了多種強化防磨措施，但仍無法從根本上解決磨損問題。

（2）管殼式低溫省煤器所有管內(nèi)的冷卻水都是相通的，且冷卻水系統(tǒng)多為開式循環(huán)系統(tǒng)，一旦某根管因為磨損損壞，管內(nèi)大量冷卻水將源源不斷向煙氣中泄漏，造成低溫省煤器積灰堵塞，嚴重影響機組的安全運行。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前行業(yè)內(nèi)布置于電除塵器前的傳統(tǒng)低溫省煤器出現(xiàn)泄漏的周期為2～3 年。低溫省煤器換熱管束泄漏會引發(fā)諸多問題：1）換熱器堵灰及電除塵器灰斗輸灰不暢會影響機組的安全運行；2）換熱器局部或全部模塊退出運行會導致降溫幅度不足，節(jié)煤效果大打折扣，電除塵器的除塵效率下降，除塵器后的環(huán)保設備的工作環(huán)境惡化，影響超低排放效果；3）煙氣阻力增大，引風機電耗增加，甚至會導致風機失速[2]。

上述傳統(tǒng)低溫省煤器的磨損泄漏問題，已經(jīng)嚴重影響了機組的安全運行，亦提高了運行維護成本，給用戶帶來了較大困擾，極大限制了其應用。因此，市場上急需一種可實現(xiàn)冷卻水煙道零泄漏的低溫省煤器技術。

1 技術原理

熱管低溫省煤器在傳統(tǒng)管殼式低溫省煤器基礎上做出變革，采用重力熱管作為換熱元件。重力熱管是一種傳熱性能極好的人工構(gòu)件，通常由管殼、蒸汽腔及工作介質(zhì)等組成，從功能角度可劃分為蒸發(fā)段、絕熱段及冷凝段三部分（見圖1）。重力熱管工作時利用了三種物理學原理[3]：1）在真空狀態(tài)下，液體的沸點降低；2）同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高得多，通過蒸發(fā)與冷凝放熱可實現(xiàn)較大熱量的傳遞；3）利用重力作用使冷凝液體回流。

重力熱管工作原理如圖1 所示，其主要工作過程如下：

（1）在蒸發(fā)段，管壁吸收外界（如熱煙氣）熱量并傳遞給管內(nèi)工質(zhì) 。

（2）在蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)吸熱相變，工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)檎羝麘B(tài)。

（3）工質(zhì)蒸發(fā)后上升至冷凝段后相變放熱，并通過管壁傳遞給冷工質(zhì)。

（4）冷凝段管內(nèi)蒸汽冷凝后變?yōu)橐簯B(tài)，在重力作用下回到蒸發(fā)段重新吸熱蒸發(fā)，周而往復，實現(xiàn)熱量的傳遞。

圖1 重力熱管工作原理

重力熱管低溫省煤器是由若干根重力熱管組成的換熱設備，其冷卻水和煙氣分別從換熱器的上、下部分流過，煙氣和冷卻水之間由中間隔板和熱管分隔開，每根熱管的管內(nèi)工質(zhì)互不相通、不串漏。

重力熱管低溫省煤器中的每根熱管都是獨立的換熱元件，即使個別熱管由于磨損發(fā)生泄漏，也只有熱管內(nèi)部工質(zhì)會泄漏進入煙道，微量的工質(zhì)會被熱煙氣快速蒸發(fā)，冷卻水不會泄漏進入煙氣側(cè)，對機組的安全運行無不良影響。同時，由于熱管自身具有換熱調(diào)節(jié)性，因此少量熱管的磨損失效對整個設備的換熱效果影響很小。重力熱管低溫省煤器可根據(jù)不同煙氣參數(shù)靈活設計冷熱兩側(cè)的傳熱面積，使重力熱管煙氣側(cè)壁溫始終控制在水露點溫度25℃以上，有效杜絕了低溫腐蝕問題[4]。

2 實驗研究與結(jié)論

為開發(fā)重力熱管低溫省煤器，在理論研究的基礎上，進一步通過換熱實驗（見圖2）研究熱管換熱器不同布置方式、不同結(jié)構(gòu)形式的換熱特性。

圖2 重力熱管低溫省煤器實驗系統(tǒng)

2.1 重力熱管煙氣側(cè)不同換熱結(jié)構(gòu)的換熱性能

圖3 不同結(jié)構(gòu)的重力熱管

對熱管換熱器煙氣側(cè)的不同結(jié)構(gòu)形式（見圖3）進行換熱性能對比研究，主要包括開展單一換熱設備相同風速、不同水速和相同水速、不同風速的換熱性能研究以及各換熱器同風速、同水速工況的對比，得到如下結(jié)論：

（1）在相同工況下，光管熱管的傳熱系數(shù)大于翅片管熱管及銷釘擴展面熱管的傳熱系數(shù)，且在不同水溫下的差距較大。

（2）在相同工況下，螺旋翅片熱管的整體傳熱系數(shù)小于銷釘熱管。

（3）橢圓管熱管換熱器的整體傳熱系數(shù)小于圓管熱管換熱器。

盡管上述部分換熱器的換熱系數(shù)較高，但在實際工程應用中在考慮傳熱系數(shù)的前提下還需考慮換熱面積及生產(chǎn)工藝造成的設備成本差異。

2.2 不同重力熱管換熱器換熱極限的研究

熱管雖然傳熱能力很大，但也存在傳熱極限，主要與熱管尺寸、形狀、工作介質(zhì)、溫度等有關。本文主要研究了水溫、煙溫及熱負荷等參數(shù)對不同熱管換熱器換熱極限的影響。

通過逐步提高水速、水溫、煙溫、煙氣流速等參數(shù)，研究在一定工況下，熱管傳熱性能的變化。結(jié)合熱管傳熱峰值實驗研究，修正理論計算方法，可得到熱管的傳熱極限值，并用于指導熱管換熱器的選型工作。

2.3 重力熱管低溫省煤器內(nèi)部工質(zhì)灌注量的研究

從上文重力熱管的工作原理可以看出，為了保證熱管的高效運行，熱管內(nèi)部液池的理想初始液體高度是第一時間升騰起來的工質(zhì)回流至底部液池時，底部液池內(nèi)的工質(zhì)剛好全部蒸干或者接近蒸干。但實際充液量往往要比上述理想充液量大得多，這主要是因為熱管內(nèi)保持一定高度的液池可以適應過熱流量的狀況，且液池內(nèi)處于核態(tài)沸騰可具有很高的換熱系數(shù)。但充液量過大也會存在問題，不僅會引起傳熱不穩(wěn)定，還會影響換熱效果[5]。

通過理論分析，結(jié)合反復實驗，得出了用于真空熱管低溫省煤器的重力熱管的灌注量范圍區(qū)間為蒸發(fā)段高度的30%～50%，具體灌注量還與管型與受熱面結(jié)構(gòu)形式有關。

3 重力熱管低溫省煤器的創(chuàng)新開發(fā)

3.1 流線型煙風道設計

盡管重力熱管低溫省煤器熱管在出現(xiàn)磨損泄漏后不會有冷卻水泄漏到煙氣中，但部分熱管的失效仍會對整體換熱性能造成影響。造成部分熱管磨損的主要原因是氣固兩相流的不均勻性，需要結(jié)合換熱設備結(jié)構(gòu)和煙道設計進行流場的優(yōu)化。

應用CFD 流線型煙風系統(tǒng)設計技術，采用流線形狀的煙道外形和異形導流模塊進行煙道的內(nèi)部優(yōu)化設計，消除了煙氣的渦流、回流，實現(xiàn)進入換熱器的煙氣流場分配更加均勻，有效緩解磨損并解決高效換熱的流場優(yōu)化問題，同時使得能量損耗大大降低，煙道阻力大幅降低。

3.2 新型換熱器組合結(jié)構(gòu)形式

對于布置在除塵器前端的低溫省煤器，其煙氣含塵濃度為10～50g/m3，粉塵濃度高，在低負荷時容易產(chǎn)生沉積。因此在電除塵器前的水平煙道上，為布置方便以及防止積灰，常規(guī)低溫省煤器多采用水平布置的H 形翅片管或者螺旋翅片管。

對于真空熱管低溫省煤器，其主要換熱元件是重力真空熱管，為了確保熱管內(nèi)部工質(zhì)可以順利回流至管底液池內(nèi)，水平煙道上的真空熱管低溫省煤器主要采用豎直鉛垂布置，若采用常規(guī)的H 形翅片管，其擴展面將造成受熱面嚴重積灰，從而影響真空熱管低溫省煤器的換熱性能。

通過研究發(fā)現(xiàn)，采用光管、橢圓管或以螺旋翅片、銷釘作為擴展面的熱管換熱器可以滿足上述條件下的防積灰要求。具體布置需要根據(jù)不同的工況條件，選擇適宜的真空熱管換熱器受熱面結(jié)構(gòu)形式。

3.3 逆流串聯(lián)式復合套管冷卻的走水結(jié)構(gòu)

熱管低溫省煤器的冷卻水和煙氣分別從換熱器的上、下部分流過，煙氣和冷卻水之間由管板分隔，兩種換熱介質(zhì)均在不同的密封結(jié)構(gòu)里且每根熱管都是獨立的換熱元件，不像通常的省煤器那樣各換熱管之間聯(lián)通在一起。因此，即使熱管在煙氣側(cè)發(fā)生磨損或腐蝕，只會有極少的熱管內(nèi)工作介質(zhì)泄漏進入煙道，被高溫煙氣蒸發(fā)，而水側(cè)的冷卻水無法進入煙道。

為了適應冷卻水的高壓運行環(huán)境，冷凝段需采用特殊的圓管套管結(jié)構(gòu)，從進水口進入換熱器后，與煙氣方向成交叉逆流狀，換熱效率高。由于套管圓管結(jié)構(gòu)且管壁厚度經(jīng)結(jié)構(gòu)計算選型，可以滿足冷凝段承受高壓水的要求，同時可以提高水流速，進而提高換熱效果。

3.4 智慧環(huán)保的創(chuàng)新應用

對火力發(fā)電行業(yè)而言，火電廠的設備數(shù)字化、智能化已成為火電行業(yè)發(fā)展的新趨勢。由于電廠低溫省煤器等設備長期運行引發(fā)的設備故障是一個緩慢過程，傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法做到實時監(jiān)測和提前預警。通過對熱管低溫省煤器等設備進行預警設置，將實時數(shù)據(jù)與歸檔數(shù)據(jù)進行縱橫對比分析，經(jīng)智能計算后的當前值超出與期望值預設的偏差時，發(fā)出設備故障預警，并推送預警信息，備件庫可根據(jù)接收到的信息及時備件，確保設備正常運轉(zhuǎn)。這種將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)＋、物聯(lián)網(wǎng)與在線監(jiān)測及故障診斷技術相結(jié)合的方式，能夠為電廠設備健康運行與及時維護提供技術支撐。

通過對低溫省煤器數(shù)據(jù)和機組其他相關數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)該過程各運行參數(shù)的變化情況，建立模組熱管磨損失效預警模型，并將歷史數(shù)據(jù)導入模型，通過計算機學習，比對歷史記錄找出換熱模組熱管失效的特征值，指導設備及時運維處理。

4 工程應用

江西某電廠660MW 機組鍋爐2014 年進行排煙余熱回收利用及除塵提效改造，新增4 臺采用常規(guī)間壁式換熱方式的低溫省煤器降低空預器出口排煙溫度，實現(xiàn)回收煙氣余熱、提高除塵器效率、穩(wěn)定達標排放。但由于原低溫省煤器為間壁式管殼換熱器，在長期粉塵沖刷下部分換熱管出現(xiàn)了磨損、泄漏等問題，進而導致機組凝結(jié)水泄漏進入煙道，造成煙道堵灰，甚至危害電除塵器的安全運行。

鑒于上述情況，電廠經(jīng)過長達一年的調(diào)研，最終確認利用真空熱管低溫省煤器取代原有的常規(guī)低溫省煤器，在滿足低溫省煤器降溫要求，保證電除塵器工作在低低溫狀態(tài)、達到穩(wěn)定排放的同時，杜絕了低溫省煤器泄露造成堵灰以及電除塵器短路等問題。

4.1 改造方案

本工程改造采用全流通工藝路線，并將原除塵器入口的翅片管式低溫省煤器更換為真空熱管低溫省煤器。

新型真空熱管低溫省煤器改造布置如圖4 所示，總體布置與原低溫省煤器一致，即布置于原電除塵器前的4 個水平煙道內(nèi)。熱管低溫省煤器的整體設計參數(shù)見表1。

圖4 項目整體安裝效果

表1 設計參數(shù)

4.2 運行效果

該電廠#2 機組熱管低溫省煤器于2020 年12 月投運，實時運行數(shù)據(jù)如表2 所示。由于投運時為冬季，加上該運行機組鍋爐在本次改造中進行了大修，過熱器、再熱器、空預器等鍋爐主要換熱器表面較為清潔，換熱效率高，因此空預器出口四個煙道煙氣溫度值在機組滿負荷運行時為120℃左右，低于設計值。熱管低溫省煤器出口煙溫為85℃左右，總體降溫幅度達到35℃。

表2 熱管低溫省煤器運行數(shù)據(jù)

目前運行冷卻水量僅占設計水量的25%，熱管低溫省煤器仍存有較大的換熱余量，但考慮到熱管低溫省煤器以及下游設備可能存在低溫腐蝕的風險，因此實際運行過程中并沒有進一步降低出口煙溫以獲得更好的節(jié)能效果。

5 結(jié)語

截至2019 年年底，全國低低溫電除塵器裝機容量已超過1.65 億kW，但與其相配套的低溫省煤器存在的磨損泄漏等問題影響到了電除塵器的正常穩(wěn)定運行，無法保證超低排放效果，機組經(jīng)濟性也受到影響，因此行業(yè)內(nèi)對無冷卻水泄漏的低溫省煤器的需求非常迫切。

另外，隨著我國節(jié)能減排、超低排放政策的深入實施，以及堅持把“綠水青山就是金山銀山”理念落實到具體行動中的實踐要求[6]，未來除煤電行業(yè)之外的其他工業(yè)領域的煙氣治理，也將面臨余熱利用、節(jié)能、提效等改造的迫切需求。因此，熱管低溫省煤器技術在燃煤鍋爐余熱利用領域具有廣闊的應用前景。