燃煤機組低溫省煤器技術(shù)應(yīng)用探討

重慶發(fā)電廠 肖體良

電站鍋爐排煙損失是鍋爐各項熱損失中最大的一項熱損失，鍋爐的排煙溫度通常達(dá)到120～150℃，相應(yīng)的熱損失相當(dāng)于燃料熱量的5%～12%，占鍋爐熱損失的60%～70%[1]，且在實際運行中鍋爐的排煙溫度往往都存在超過設(shè)計值的情況。為了降低排煙溫度，減少排煙損失，提高電廠的經(jīng)濟性，低溫省煤器在國內(nèi)外的火電機組中得到廣泛應(yīng)用。通過低溫省煤器，將煙氣溫度降至90℃左右，有利于采用低低溫電除塵技術(shù)，提高電除塵器除塵效率，并脫除煙氣中大部分的SO3成分，實現(xiàn)煙氣的協(xié)同控制。

1 低溫省煤器的典型布置

低溫省煤器的布置要考慮煙氣協(xié)同控制的作用，要有利于后置設(shè)備功能的發(fā)揮和性能的改善，主要有三種布置方式。

低溫省煤器布置于空預(yù)器與除塵器之間煙道：可回收高品位煙氣余熱，用以加熱汽機凝結(jié)水或其他熱媒水，如鍋爐暖風(fēng)器、MGGH放熱段用熱等，提高機組熱經(jīng)濟性；煙氣經(jīng)低溫省煤器降溫后體積減小，飛灰比電阻降低，SO3冷凝為硫酸霧，可大大提高除塵器的收塵性能及脫除煙氣中大部分的SO3；對于濕法脫硫，通過低溫省煤器的冷卻，可將脫硫裝置入口煙溫控制在70～90℃的較佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，同時由于脫硫裝置煙氣溫度降低、蒸發(fā)水分減少，可節(jié)約脫硫用水；引風(fēng)機入口煙氣體積隨煙溫降低而減小，引風(fēng)機容量相應(yīng)減小，可降低風(fēng)機功耗。

低溫省煤器布置于引風(fēng)機與脫硫裝置之間煙道。主要是回收煙氣余熱加熱凝結(jié)水，優(yōu)點是：煙氣通過引風(fēng)機一般約有10℃左右的溫升，可提高煙氣余熱利用率；低溫省煤器工作在煙氣含塵少的環(huán)境下，換熱管的磨損較小，積灰少；對于濕法脫硫可節(jié)約脫硫用水。缺點是：未能使用低低溫電除塵器，以有效提高電除塵器收塵效率；煙氣溫度高、體積大、引風(fēng)機耗功大；用于回收煙氣余熱的汽機凝結(jié)水管線長、水阻大，運行經(jīng)濟性差。

低溫省煤器分級布置。第一級布置于空預(yù)器與除塵器之間煙道，第二級布置與引風(fēng)機與脫硫裝置之間煙道。這種布置方式綜合考慮了上述兩種方式的好處，其缺點是：低溫省煤器體積較大，給布置帶來一定的困難；由于多了一臺低溫省煤器，系統(tǒng)連接復(fù)雜、管路阻力也將有一定的增加。

2 低溫省煤器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)優(yōu)化

低溫省煤器吸收的煙氣余熱可用來加熱汽機凝結(jié)水、空預(yù)器入口冷風(fēng)、MGGH放熱段脫硫凈煙氣或其它熱媒介質(zhì)。本文著重研究低溫省煤器煙道中的本體部分，因此只以較廣泛的加熱凝結(jié)水的低溫省煤器系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

系統(tǒng)設(shè)計。要以燃用煤種進(jìn)行熱力計算，在THA工況下，為兼顧節(jié)能與低低溫電除塵器的需要，低溫省煤器出口煙溫應(yīng)降至90～100℃左右；低溫省煤器布置于空氣預(yù)熱器出口水平煙道上，用于加熱汽機凝結(jié)水；通過低溫省煤器將空預(yù)器煙溫（約120～150℃）降至90～100℃；低溫省煤器水側(cè)系統(tǒng)與主凝結(jié)水成并聯(lián)或串并聯(lián)布置，具體接口及進(jìn)、出水溫度，根據(jù)熱力計算確定。

2.1 低溫省煤器熱力系統(tǒng)優(yōu)化

原理：低溫省煤器回收煙氣余熱加熱凝結(jié)水，排擠汽輪機抽汽，增加汽輪機的做功功率，從而提高汽輪機的效率。凝結(jié)水抽取節(jié)點及流量調(diào)節(jié)首先要考慮到低溫硫酸腐蝕及低低溫電除塵器的溫度要求。因此，選取合理的回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)參數(shù)是低溫省煤器余熱回收系統(tǒng)安全、高效運行的關(guān)鍵。以某660MW超超臨界機組的低溫省煤器系統(tǒng)（圖1）為例，當(dāng)機組負(fù)荷及工況發(fā)生變化時，可通過#8低加前、后凝結(jié)水抽取水量比例的調(diào)節(jié)，來控制低溫省煤器的出口煙溫。

圖1 低溫省煤器系統(tǒng)流程圖

2.2 低溫省煤器壁溫控制

低溫省煤器受熱面發(fā)生低溫腐蝕的主要原因是壁溫低到一定程度時，煙氣中的硫酸蒸汽會發(fā)生結(jié)露，從而對受熱面產(chǎn)生腐蝕。因此，防止低溫腐蝕的根本措施是要保證受熱面的壁溫，使腐蝕速率保證在允許的范圍內(nèi)。受熱面金屬壁溫大于水蒸氣露點溫度25℃、小于105℃，受熱面金屬低溫腐蝕速率小于0.2mm/年，這個腐蝕速度是可以接受的。通過調(diào)節(jié)低溫省煤器入口凝結(jié)水的溫度和流量，可控制換熱管壁溫滿足要求。需要指出的是，由于低溫省煤器一般是逆流換熱，壁溫最低點是在后部管排上，因此要重點監(jiān)控該位置換熱管壁溫。

2.3 低溫省煤器材料及型式的選擇

低溫省煤器材料。低溫省煤器換熱元件不僅要求傳熱性能強，還要求材料具有良好的耐腐蝕性和耐磨性能。目前國內(nèi)多采用鋼管材料，而國外電廠也有采用外覆氟塑料管作為換熱元件的。由于氟塑料管耐壓較差，不能直接用于加熱凝結(jié)水；其耐磨性較差，不適宜布置于除塵器前的高粉塵煙氣流中；管束剛性差，支撐體系復(fù)雜；其價格較昂貴，采用氟塑料管比09CrCuSb（ND鋼）低溫省煤器價格貴約2倍。因此，國內(nèi)很少有使用業(yè)績。金屬材料的熱量傳導(dǎo)性均較強，因此，用于低溫省煤器的鋼管主要考慮其耐硫酸低溫露點腐蝕的能力，目前耐低溫腐蝕應(yīng)用較為廣泛的材料有ND鋼、1Cr18Ni9鋼、Corten鋼、316L鋼等。

低溫省煤器換熱管型式。采用耐腐蝕鋼管的低溫省煤器型式主要有光管管式換熱器、螺旋鰭片管式換熱器、H型翅片管式換熱器。光管管式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，易清理堵灰，但傳熱性差，換熱面積大，低溫省煤器外形尺寸較大。螺旋鰭片管傳熱性好，換熱器體積小，金屬壁溫高于光管，對防止低溫腐蝕有利，但易積灰、煙氣阻力大。近年來一種新的翅片型式的換熱器－H型翅片管換熱器得到廣泛研究。該型式換熱管具有較高的強化傳熱能力、優(yōu)良的不積灰性能和較好的防磨性能，由于其換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、耗鋼少、便于布置，因此其應(yīng)用日趨廣泛[2]。

3 低溫省煤器防腐措施

酸露點計算：國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的為前蘇聯(lián)鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法中的計算公式tld=tsld+a3√Szs/1.05afhAzs，式中Szs折算硫分，Szs=Sar×4187/Qdw；Azs為折算灰分，Azs=Aar×4187/Qdw；tld為煙氣酸露點，tsld為水露點， afh為飛灰占總灰的份額，取0.9，Qdw收到基低位發(fā)熱量；a在過量空氣系數(shù)為1.2時取121，1.4～1.5時取129；標(biāo)準(zhǔn)一般取125。根據(jù)煤質(zhì)，可計算出煙氣酸露點，當(dāng)煙氣溫度低于酸露點，容易發(fā)生低溫腐蝕，為保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行，低溫省煤器換熱管應(yīng)采用耐腐蝕性較好的材料。

有限腐蝕理論：影響露點腐蝕的主要因素是燃料、轉(zhuǎn)化率、酸沉積率、溫度、材料。國內(nèi)外研究得出以下幾結(jié)論：金屬的腐蝕與換熱面的金屬壁面溫度有關(guān)；露點低溫腐蝕速率受控于腐蝕性元素的氧化轉(zhuǎn)化率；腐蝕速率受控于酸冷凝沉積率，而不是酸和金屬的反應(yīng)速率；最大露點腐蝕速率并不是發(fā)生在露點溫度，而是發(fā)生在酸露點溫度之下和水露點溫度以下，隨著近幾年耐硫酸露點腐蝕鋼的國產(chǎn)化研究及成功應(yīng)用，在低溫省煤器的設(shè)計中采用“有限腐蝕”的思路，允許被冷卻后的煙氣溫度及低溫省煤器的冷端換熱管壁面溫度處在酸露點以下，通過傳熱管壁溫的控制來保證換熱面的腐蝕處于腐蝕速率低的區(qū)域。

防腐措施：為了控制受熱面管子壁溫，防止或減輕受熱面腐蝕，采取了有限腐蝕原理：根據(jù)脫硫系統(tǒng)進(jìn)口煙氣的SO2含量測試值對露點進(jìn)行實時監(jiān)控，并通過邏輯程序調(diào)節(jié)進(jìn)口水溫、進(jìn)水量及最低壁溫，避免低溫腐蝕的發(fā)生；受熱面采用ND鋼材質(zhì)。大量的實驗表明，ND鋼在抗低溫腐蝕的能力是最強的，有時候甚至比不銹鋼還要強；實踐表明，大多數(shù)尾部受熱面發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的根本原因并不是煙溫太低造成的，而是尾部受熱面的漏風(fēng)。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上嚴(yán)格避免空氣內(nèi)漏，做好鍋爐尾部煙道人孔門、膨脹節(jié)、穿墻管等的密封，空預(yù)器采用先進(jìn)的柔性三密封技術(shù)，防止漏風(fēng)因素造成低溫腐蝕。

4 低溫省煤器防磨損與防積灰

低溫省煤器受熱面布置在除塵器前的煙道，煙氣中含灰量大，換熱管磨損是影響低溫省煤器使用壽命及機組可靠運行的重大問題，須做好防磨措施。

對煙道的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部布置進(jìn)行優(yōu)化，對煙氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計上避免出現(xiàn)煙氣走廊、煙氣偏流及產(chǎn)生煙氣渦流。低溫省煤器進(jìn)出口煙道可采用圓形煙道，并留有足夠長度的直管段，必要時可加裝煙氣導(dǎo)流板，使煙氣均勻通過換熱管束；受熱面換熱管采用專用強化傳熱換熱管，降低金屬外表面溫度，提高管子表面硬度和耐磨性。ND鋼具有很好的傳熱性，推薦使用ND鋼。

選用防磨損性能優(yōu)異的H型翅片管[3]。H型翅片管把空間分成若干小區(qū)域，對氣流有均流導(dǎo)向作用，與采用錯列布置的光管換熱器、螺旋翅片換熱器等相比，在其它條件相同的條件下，磨損壽命高3～4倍。H型翅片管有單H型翅片管和雙H型翅片管，對于600MW及其上機組，如換熱管較長，為增加管子剛性，應(yīng)采用雙H型翅片管。為保障管子的磨損余量，在選用管子規(guī)格時可適當(dāng)增加管壁和翅片的厚度。

換熱管排采用順列布置。由于磨損主要是灰粒對管子的沖擊和切削作用，在管子周圍與水平線成30°部位磨損最厲害。S1/d=S2/d=2時該處磨損量為平均值的3倍。錯列布置由于氣流方向改變，第二排磨損最厲害，S1/d=S2/d=2時第二排是第一排磨損量的2倍，以后各排磨損量比第一排一般高30%～40%。順列布置第一排與錯列布置第一排相同，以后各排由于氣流沖擊不到管子磨損較輕。在其它條件相同的條件下，順列管束的最大磨損量比錯列管束少3～4倍；在迎風(fēng)側(cè)前兩排設(shè)計安裝可拆卸防磨假管，讓磨損最嚴(yán)重的兩個假管承擔(dān)主要的防磨，有效保護(hù)H型翅片管，并可在第一排換熱管順煙氣方向加裝2mm厚的合金耐磨罩瓦，進(jìn)一步減輕前端換熱管排的磨損，提高設(shè)備可靠性。

許多實驗都表明沖蝕磨損量與顆粒之間的速度之間存在ε=K×νn（K是常數(shù)，ν是顆粒的沖蝕速度，n是速度指數(shù)，一般情況下n= 2～3）。鍋爐受熱面沾污系數(shù)f有如下公式：f=(Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O)×Na2O/（Al2O3+ SiO2+TiO2）進(jìn)行計算。當(dāng)f≤0.2時輕度積灰，當(dāng)f= 0.2～0.5時中度積灰，當(dāng)f=0.5～1.0時嚴(yán)重積灰。因此合適的煙氣流速是非常重要的，根據(jù)沾污系數(shù)的大小，煙氣流速一般控制在8～12m/s左右[4]，在使煙氣流具有自清灰功能的同時又不至因煙氣流速過高而產(chǎn)生不可控的磨損；低溫省煤器可采用蒸汽吹灰或壓縮空氣聲波進(jìn)行吹灰。由于采用蒸汽吹灰，可能在低溫環(huán)境下加大蒸汽結(jié)露與飛灰粘結(jié)，應(yīng)盡可能采用壓縮空氣聲波吹灰。吹灰器根據(jù)鍋爐運行參數(shù)和低溫省煤器結(jié)構(gòu)具體布置吹灰地點和吹灰時間，以滿足吹灰要求。

綜上，為適應(yīng)國家最新節(jié)能減排要求，充分利用鍋爐排煙余熱，實現(xiàn)煙氣粉塵排放的協(xié)同控制，燃煤鍋爐采用低溫省煤器是很有必要的。結(jié)合低溫硫酸露點腐蝕機理和有限腐蝕理論的分析，防止低溫腐蝕的根本措施是保證換熱管的合理壁溫，使腐蝕速率保證在允許的范圍內(nèi)。綜合考慮材料的傳熱性、耐腐蝕性、耐磨性、防積灰等因素，推薦選用ND鋼H型翅片管作為低溫省煤器的換熱元件。