基于重力熱管技術(shù)的低溫省煤器應(yīng)用研究

文_段宏波 國家電投集團(tuán)江西電力有限公司

1 重力熱管低溫省煤器技術(shù)

熱管作為一種高效換熱元件，在工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。基于熱管技術(shù)的低溫省煤器從原理上與傳統(tǒng)低溫省煤器有著明顯的區(qū)別，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能夠有效防止冷卻介質(zhì)的泄漏。重力熱管沒有吸液芯，是一種能夠使冷凝液體依靠自身重力作用回流到蒸發(fā)段的熱管，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低、耐用、傳熱特性優(yōu)良、工作安全、易于維修等優(yōu)點(diǎn)。因此本文主要圍繞重力熱管在大型燃煤機(jī)組應(yīng)用展開分析。

1.1 重力熱管工作原理

圖1為重力熱管工作原理示意圖，它是內(nèi)部在抽除其中不凝性氣體，并充以某種工作液體后封閉而成。首先，重力熱管的蒸發(fā)段在從高溫介質(zhì)（如熱煙氣）中吸收熱量后，管內(nèi)工質(zhì)受熱相變蒸發(fā)，在蒸發(fā)段與冷凝段壓差的作用下由蒸發(fā)段流向冷凝段，氣態(tài)工質(zhì)在冷凝段遇冷釋放相變潛熱后又冷凝為液體，在重力的作用下又返回到熱管的蒸發(fā)段。熱量就是通過這種循環(huán)過程的不斷進(jìn)行而實(shí)現(xiàn)傳遞的，由于重力熱管元件內(nèi)部的工質(zhì)在換熱過程中發(fā)生了相變，從而可以傳遞較大的熱量，同時重力熱管內(nèi)部熱阻相當(dāng)小，所以其元件能在較小的溫差下獲得很好的傳熱效果。

圖1 重力熱管換熱示意圖

1.2 重力熱管防泄漏結(jié)構(gòu)

圖2所示為重力熱管低溫省煤器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。煙氣和冷凝段冷卻水集箱之間由絕熱段的隔板分隔，煙氣于絕熱隔板下方流通，冷卻水于絕熱隔板上方流通，隔板采用特制的管板結(jié)構(gòu)以保證整個換熱模塊全密封，冷卻水側(cè)每根套管設(shè)置套管組件進(jìn)行獨(dú)立隔離，套管與絕熱段隔板互不相通，可實(shí)現(xiàn)雙重物理隔離。由于每根重力熱管管內(nèi)工質(zhì)互不相通，假設(shè)圖2中A點(diǎn)發(fā)生穿孔泄漏，只會造成該重力熱管內(nèi)部少量工質(zhì)泄漏，對機(jī)組運(yùn)行無影響，與此同時少量重力熱管的失效對整個設(shè)備的換熱效果影響不大。此外，重力熱管低溫省煤器可以根據(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，且該結(jié)構(gòu)易于維修保養(yǎng)。

圖2 熱管低溫省煤器結(jié)構(gòu)示意圖

2 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)及分析

2.1 項(xiàng)目現(xiàn)狀分析

江西某660MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組于2015年鍋爐完成余熱利用及提效改造，在除塵器前加設(shè)了常規(guī)管殼式低溫省煤器，進(jìn)行煙氣余熱回收利用，同時降低除塵器入口煙溫至95℃左右以提高電除塵器效率。低溫省煤器運(yùn)行幾年后，換熱管存在較為嚴(yán)重的磨損及泄漏問題，影響了機(jī)組安全運(yùn)行。經(jīng)過多次的科學(xué)論證，最終確定采用重力熱管式低溫省煤器技術(shù)進(jìn)行升級改造，以有效解決目前該電廠存在的問題，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低低溫?zé)煔馓幚項(xiàng)l件，在保證換熱器使用壽命的同時達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能減排的目的。

2.2 改造方案設(shè)計(jì)

改造基于現(xiàn)有低溫省煤器的基礎(chǔ)和平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，需對原有低溫省煤器拆除，再進(jìn)行適應(yīng)性改造布置重力熱管低溫省煤器。重力熱管低溫省煤器的換熱管采用鉛垂、順列布置，水側(cè)逆流進(jìn)入換熱器本體。通過對滿負(fù)荷工況的熱力計(jì)算，重力熱管低溫省煤器進(jìn)口凝結(jié)水水量為1480t/h時，滿足煙氣從145℃降至95℃的降溫要求。表1所示為重力熱管低溫省煤器設(shè)計(jì)性能參數(shù)。

表1 重力熱管低溫省煤器設(shè)計(jì)性能參數(shù)表

重力熱管低溫省煤器水側(cè)與原低加系統(tǒng)采用全流通串聯(lián)換熱工藝，即從低加管路上引出機(jī)組全部凝結(jié)水，并分別接進(jìn)電除塵前4臺重力熱管低溫省煤器，經(jīng)重力熱管低溫省煤器加熱的凝結(jié)水再返回到低加管路上。

2.3 技術(shù)保障措施

2.3.1 防磨損技術(shù)保障措施

采用CFD仿真對煙道和換熱器進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證煙氣進(jìn)、出口端和受熱面煙氣流場均勻。同時應(yīng)用流線型煙風(fēng)道技術(shù)，有效解決氣流分布不均問題，有效減少煙氣阻力，避免局部磨損嚴(yán)重的發(fā)生。

在重力熱管低溫省煤器容易造成磨損的特定部位，如換熱器前、后若干換熱管排采用加厚管壁的換熱管，使其具有較強(qiáng)的耐磨特性。

在換熱管排的前端設(shè)置可拆卸式防磨假管，減輕飛灰顆粒對前端重力熱管排的沖擊，可以有效保證前端重力熱管使用壽命。

2.3.2 防積灰及腐蝕技術(shù)保障措施

通過重力熱管低溫省煤器管束設(shè)計(jì)，保證煙氣流速在合理范圍，使煙氣流對換熱面保持適度的沖刷，可實(shí)現(xiàn)一定的自清潔作用。

煙氣側(cè)采用抗積灰性能優(yōu)異的開齒翅片管，增強(qiáng)煙氣的擾流作用，進(jìn)一步加強(qiáng)了其抗積灰能力。

采用劃小區(qū)域多點(diǎn)布置方式，設(shè)置聲波吹灰器。聲波吹灰器利用壓縮空氣動能轉(zhuǎn)化為聲波能量，使管上積灰產(chǎn)生松動，相比于蒸汽吹灰，不會出現(xiàn)過熱蒸汽凝結(jié)成水，導(dǎo)致粉塵粘附在重力熱管上，造成換熱管的腐蝕、堵塞情況。在聲波的高能量作用下，粉塵不易在熱交換表面產(chǎn)生沉積，可有效阻止結(jié)垢。

配置臨時水沖洗裝置，停機(jī)檢修時可輔以水沖洗，實(shí)現(xiàn)徹底清潔。

3 項(xiàng)目應(yīng)用效果分析

3.1 項(xiàng)目應(yīng)用效果

首先根據(jù)項(xiàng)目總體要求和設(shè)計(jì)參數(shù)對該項(xiàng)目重力熱管低溫省煤器進(jìn)行設(shè)計(jì)和現(xiàn)場布置，圖3所示為低溫省煤器模塊安裝布置圖。單個煙道低溫省煤器沿?zé)煔夥较蚍殖汕?、后兩個換熱區(qū)，兩個換熱區(qū)之間留有檢修空間，每個換熱模塊獨(dú)立布置，均能夠單獨(dú)抽出，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)的模塊檢修、更換處理功能。

圖3 重力熱管低溫省煤器模塊安裝布置圖

在機(jī)組滿負(fù)荷條件下4個煙道進(jìn)出口溫度隨時間變化，每個測溫點(diǎn)間隔時間為5min。4個煙道重力熱管低溫省煤器進(jìn)口煙氣溫度值在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時為120～130℃，出口煙溫為86～93℃。受外部環(huán)境較低（冬季）及機(jī)組剛經(jīng)歷大修的影響，入口煙溫還未達(dá)到設(shè)計(jì)煙溫。盡管目前換熱器還有較大的設(shè)計(jì)余量，但為了防止降溫幅度過大導(dǎo)致?lián)Q熱器及下游設(shè)備的低溫腐蝕，出口煙溫控制在此范圍沒有進(jìn)一步降低。

在機(jī)組不同負(fù)荷條件下，4個煙道進(jìn)出口壓差隨負(fù)荷增大而增加，在滿負(fù)荷下小于400Pa滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

為更好地分析研究該新型重力熱管低溫省煤器的經(jīng)濟(jì)性，對660MW設(shè)計(jì)工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析。

3.2.1 重力熱管低溫省煤器回收熱量

式中Vg—實(shí)測煙氣流量，m3/h；ρg—煙氣密度，取0.860kg/m3；Cρg—煙氣比熱，取1.021kJ/(kg·℃)；t1為重力熱管低溫省煤器進(jìn)口溫度，℃；t2為重力熱管低溫省煤器出口煙氣溫度，℃；φ為設(shè)備保熱系數(shù)，取0.95；Q為重力熱管低溫省煤器回收熱量，kW。

機(jī)組在660MW工況下，將表1數(shù)據(jù)帶入公式（1），計(jì)算回收煙氣熱量Q=40249kW。

3.2.2 節(jié)煤量

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)等效焓降法計(jì)算，設(shè)計(jì)工況下熱管低溫省煤器可降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗量約1.75g/kWh。如前實(shí)際運(yùn)行工況可知，冬季實(shí)際運(yùn)行工況煙溫偏低，受限于換熱設(shè)備自身和下游其他設(shè)備的安全，雖然還有很大的設(shè)計(jì)余量，但沒有進(jìn)一步降低出口煙溫，因此對節(jié)能效果造成了影響。以現(xiàn)有的煙溫情況計(jì)算重力熱管低溫省煤器全年平均減少標(biāo)準(zhǔn)煤量約1.31g/kWh，換算到年節(jié)煤量（按設(shè)備有效年運(yùn)行小時數(shù)4500h）為3891t。按照每噸標(biāo)準(zhǔn)煤780元計(jì)算，可產(chǎn)生效益303.5萬元/a。

3.2.3 節(jié)電量

由于重力熱管低溫省煤器替換了原堵塞嚴(yán)重的低溫省煤器，以及對煙道進(jìn)行流線型改造，滿負(fù)荷煙氣阻力大約降低1000Pa，降低引風(fēng)機(jī)能耗1175kW。按電價0.3元/kWh，設(shè)備有效年運(yùn)行小時數(shù)4500h計(jì)算，節(jié)約風(fēng)機(jī)電費(fèi)158.6萬元/a。

按照機(jī)組1年有效運(yùn)行時間4500h，不計(jì)檢修維護(hù)費(fèi)用，重力熱管低溫省煤器共計(jì)可節(jié)462.1萬元。

4 結(jié)語

對比傳統(tǒng)低溫省煤器，重力熱管低溫省煤器在有效防止冷卻水泄漏方面有著明顯的優(yōu)勢。在提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的同時，保證燃煤機(jī)組穩(wěn)定高效運(yùn)行，且大大增加了低溫省煤器的使用壽命。重力熱管式低溫省煤器在660MW燃煤機(jī)組的成功應(yīng)用，標(biāo)志著該技術(shù)應(yīng)用于大型燃煤機(jī)組安全有效，為傳統(tǒng)低溫省煤器的升級改造提供有益借鑒。