某600 MW機組MGGH一級換熱器故障分析及改造方案探討

摘要：某電廠600 MW機組MGGH一級換熱器投運不到三年就陸續(xù)出現(xiàn)冷卻水泄漏問題，造成換熱器積灰堵塞，影響電除塵器安全運行，并對煙囪的安全性產(chǎn)生影響?，F(xiàn)首先分析該機組一級換熱器的故障原因，并提出相應(yīng)的解決對策；然后重點提出將一種新型的三維變空間高效管作為換熱元件，對三維變空間高效管應(yīng)用于MGGH一級換熱器的改造方案進行探討與分析，可為同類型換熱器的改造提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：一級換熱器；故障分析；三維管；改造方案

中圖分類號：TK172.4" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0077-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.019

0" " 引言

近十年來，全國對燃煤機組全面實施了超低排放和節(jié)能改造，其中MGGH（Media Gas-Gas Heater，熱媒體氣氣換熱器）作為超低排放的高效處理技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。MGGH系統(tǒng)是一個閉式循環(huán)系統(tǒng)，主要由布置于電除塵器前的一級換熱器（也稱“煙氣冷卻器”）和布置于脫硫塔后的二級換熱器（也稱“煙氣加熱器”）組成，熱媒水先進入一級換熱器回收煙氣余熱，加熱后的熱媒水進入二級換熱器加熱脫硫后的低溫?zé)煔?，實現(xiàn)煙氣余熱利用、提高電除塵效率、減少“石膏雨”、降低煙囪防腐維護費用等多重效果[1]。

實際運行中，受到各種因素的影響，一級換熱器的換熱管會出現(xiàn)冷卻水泄漏問題，造成煙風(fēng)道積灰堵塞，影響電除塵器安全運行。此外，一級換熱器堵塞后，其換熱性能將大幅降低，導(dǎo)致吸收的熱量無法滿足二級換熱器出口煙溫要求，進而會對煙囪的安全性產(chǎn)生影響。

1" " 原一級換熱器改造前概況

某電廠600 MW機組于2017年配置了MGGH系統(tǒng)，在機組除塵器前水平煙道設(shè)置一級換熱器將除塵器入口煙氣溫度由135 ℃降至94 ℃，吸收塔出口設(shè)置二級換熱器將脫硫后的凈煙氣由45 ℃加熱至80 ℃排放。

2020年后，一級換熱器開始出現(xiàn)換熱管泄漏，在額定負荷工況下煙氣側(cè)阻力最高值可達3 000 Pa，遠超設(shè)計值。同時，隨著一級換熱器的泄漏和堵塞，電除塵器的除塵效率降低。過高的阻力一方面使得鍋爐引風(fēng)機出力受限，部分工況下泄漏電除塵進水導(dǎo)致極板和陰極線粘灰造成電場短路，另一方面還會導(dǎo)致電除塵灰斗、輸灰倉泵和管道內(nèi)濕灰粘連，堵塞輸送，且易造成灰?guī)靸?nèi)出現(xiàn)灰塊板結(jié)，威脅整個輸灰系統(tǒng)的安全運行，同時使得脫硫塔負荷增大，系統(tǒng)淡水耗量急劇增加。

嚴重時，泄漏量太大甚至?xí)?dǎo)致MGGH系統(tǒng)退出，造成機組出力受限和煙塵排放超標，觸發(fā)環(huán)保部門處罰機制，給企業(yè)造成重大損失。

2" " 原一級換熱器故障分析

MGGH換熱器的故障主要包括積灰、堵灰、泄漏、腐蝕等，并且經(jīng)常是同時發(fā)生，其故障原因復(fù)雜，通常都是由多種因素共同引發(fā)，具體到本項目，故障原因分析如下。

2.1" " 入口煙道流場不均勻造成磨損泄漏

一級換熱器布置在除塵器前、空預(yù)器后水平煙道上，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，煙道水平段較長，低負荷運行時煙氣流速較低，容易積灰，同時換熱器進口擴散角度較大，煙氣在設(shè)備迎風(fēng)面形成了嚴重渦流和死角，在迎風(fēng)面下部沉淀積累的灰越來越多，使得迎風(fēng)面上部的通流面積大大減小，造成滿負荷時局部流速過高，加劇換熱面磨損，導(dǎo)致部分換熱管被磨穿發(fā)生泄漏，縮短了設(shè)備使用壽命。一旦發(fā)生泄漏，灰分與熱媒水介質(zhì)迅速混合形成大量黏性灰垢，造成板結(jié)性質(zhì)的堵灰，將進一步惡化換熱面流場，從而加劇換熱面磨損，形成惡性循環(huán)。

2.2" " 酸露點腐蝕造成泄漏

通過對機組2021年入爐煤質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)相較設(shè)計煤種和校核煤種（設(shè)計煤種的酸露點溫度約109.1 ℃，校核煤種為105.2 ℃），實際煤質(zhì)變化較大，導(dǎo)致煙氣的酸露點溫度升高。由于循環(huán)水進口水溫為75 ℃左右，因此換熱管進水端壁溫接近75 ℃，低于煙氣酸露點溫度，管壁容易結(jié)露形成酸液，發(fā)生低溫腐蝕。煙氣中水蒸氣和SO3、SO2經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，生成稀硫酸（H2SO4），不僅對換熱面產(chǎn)生局部酸露腐蝕，而且水和煙氣中飛灰混合后在換熱管束及肋片上形成板結(jié)積灰，使得熱阻進一步增大，壁溫進一步降低，腐蝕和板結(jié)情況更加嚴重，逐步形成惡性循環(huán)，加劇局部腐蝕和局部堵灰，其中局部堵灰又形成煙氣“走廊”而加劇局部磨損，由此，換熱面最終出現(xiàn)兩種后果：腐蝕泄漏和磨損泄漏。泄漏的循環(huán)水又與煙氣中的飛灰迅速混合形成大量黏性灰垢，造成大面積堵灰問題。

2.3" " 換熱器選型及布置的影響

原一級換熱器采用H型翅片管橫向布置，換熱管排翅頂間距5 mm，翅片間距15 mm。由于翅片間距只有15 mm，灰分的附著面積大大增加，而且翅片表面粗糙，前后管排的翅片很難做到對齊。兩排H型翅片管間存在間隙，空間的不連續(xù)導(dǎo)致該區(qū)域附近流動紊亂度增加，一旦整個換熱管束出現(xiàn)局部壁溫過低，或者流場不好，將迅速使得該區(qū)域產(chǎn)生冷凝水，并與煙氣中的灰分發(fā)生混合而形成粘結(jié)性的灰垢，容易粘附在H型翅片兩側(cè)狹長的通道，短時間內(nèi)完全堵死通道，并逐漸從小迎風(fēng)面積發(fā)展至大迎風(fēng)面積，導(dǎo)致?lián)Q熱元件的嚴重腐蝕和磨損。

2.4" " 煙道漏風(fēng)造成局部受熱面壁溫過低形成低溫腐蝕和堵灰

由于安裝時，煙道焊接沒有密封好，外部冷空氣漏進煙道剛好對著受熱面，使得受熱面局部壁溫過低形成低溫腐蝕，長時間累積后該位置最終因腐蝕而泄漏，泄漏的介質(zhì)與灰分迅速混合形成大量黏性灰垢，導(dǎo)致大面積堵灰，且泄漏的介質(zhì)與灰分中的腐蝕成分形成了稀硫酸，又造成附近其他本沒有腐蝕條件的換熱元件也發(fā)生腐蝕，形成惡性循環(huán)。

2.5" " 煙氣中灰分顆粒性質(zhì)造成受熱面過快磨損失效

觀察煙道內(nèi)積灰發(fā)現(xiàn)，迎風(fēng)側(cè)積灰顆粒直徑較大，灰粒比較堅硬，而其他電廠的鍋爐尾部灰粒較細軟，堅硬的灰粒造成換熱器過快磨損失效。

2.6" " 脫硝氨逃逸引起硫酸氫銨結(jié)露導(dǎo)致沾污腐蝕

脫硝工序中部分氨未與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)而隨著煙氣流出，產(chǎn)生氨逃逸，生成硫酸氫銨。硫酸氫銨是一種黏稠的物質(zhì)，具有吸濕性，露點溫度為147 ℃，粘附在換熱管表面吸附煙氣中的水分及飛灰，長期累積會使換熱器堵塞嚴重。本項目發(fā)生嚴重積灰的2、3號煙道煙氣入口溫度為143～145 ℃，十分接近硫酸氫銨結(jié)露溫度點，同時，換熱器煙氣進口端管壁溫度為125～130 ℃，比硫酸氫銨結(jié)露溫度低10～20 ℃，煙氣中的硫酸氫銨極易結(jié)露粘附在換熱管表面，從而吸附煙氣中的水分及飛灰，形成惡性循環(huán)，造成換熱器嚴重堵塞，并對換熱器產(chǎn)生腐蝕。

3" " 故障解決對策

針對上述故障原因分析，提出相應(yīng)的解決對策如下：

1）通過CFD進行氣流分布模擬，根據(jù)模擬結(jié)果加裝導(dǎo)流板改善煙氣流場，使其趨于均衡。

2）換熱元件采用ND鋼或采用普通鋼加防腐防磨涂層，提高耐酸露腐蝕能力。此外，換熱元件可采用熱管型式，利用熱管壁溫可調(diào)的特性，優(yōu)化設(shè)計換熱管冷凝段與蒸發(fā)段的面積比，確保換熱管壁溫在有限腐蝕范圍內(nèi)。

3）選用新型高效的換熱元件，如采用三維變空間高效管（簡稱“三維管”）作為換熱元件，優(yōu)化換熱器管排布置及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇合適的設(shè)計流速，提高MGGH設(shè)備本身對機組負荷變化的適應(yīng)性，進而從根本上改善設(shè)備低負荷積灰堵灰、高負荷磨損泄漏以及腐蝕惡性循環(huán)的情況。

4）針對煙道漏風(fēng)問題，安裝煙道時嚴格檢查焊接密封性，確保不漏風(fēng)。

5）針對因脫硝氨逃逸引起的硫酸氫銨結(jié)露沾污腐蝕問題，通過增設(shè)智能監(jiān)控模塊，增加運行優(yōu)化控制調(diào)節(jié)手段，實現(xiàn)精準噴氨，改善空氣預(yù)熱器及MGGH的運行條件，提高鍋爐尾部煙氣系統(tǒng)及設(shè)備對煤質(zhì)變化及調(diào)峰負荷變化的適應(yīng)性，并配合MGGH改造方案同步實施，這也是解決本項目痛點的一體化有效措施之一。

4" " 三維管應(yīng)用于一級換熱器的改造方案

針對MGGH一級換熱器及同類換熱器的故障痛點，行業(yè)內(nèi)迫切需要一種改進的換熱器結(jié)構(gòu)，其中耐磨損、不易泄漏、抗積灰能力好、換熱性能高的換熱元件非常關(guān)鍵。

4.1" " 三維管介紹

如圖1所示，三維管是一種三維空間螺旋狀變化的異型管，是通過內(nèi)外流體各自不斷旋轉(zhuǎn)混合并破壞靠近壁面的傳熱邊界層，形成二次流來強化換熱。同時，其具有三維變空間、變截面、多通道的特性，不僅使得由三維管組成的管束流場高度均勻無死角、無渦流，且能使流體與壁面接觸成為摩擦流（常規(guī)換熱管為碰撞流），大大降低了流體的流動阻力和磨損率[2]。

4.2" " 改造方案分析

一級換熱器采用三維管作為重力熱管的吸熱元件，構(gòu)成新型三維重力熱管技術(shù)，這樣既可以利用三維管煙氣側(cè)強化傳熱、抗積灰、抗磨損、抗腐蝕等優(yōu)點，又可以結(jié)合熱管內(nèi)高效熱傳導(dǎo)、遠距離熱傳輸、不導(dǎo)致大規(guī)模泄漏等特性，有效解決積灰、磨損和泄漏問題。三維重力熱管原理如圖2所示。

如圖3所示，一級換熱器高、低溫端均采用三維重力熱管橫向布置。每一根熱管都是獨立的，管內(nèi)工質(zhì)互不相通，相鄰熱管相互間不串漏。吸熱端位于水平煙道，放熱端位于煙道外，吸熱端與放熱端被煙道隔板隔開，為第一道隔離層。同時放熱端被水套管包裹，冷卻水在熱管基管的外壁面和水套管內(nèi)壁面之間流通，水套管和熱管基管焊接后將冷卻水隔離在煙道隔板的上端，為第二道隔離層。因此，此方案可實現(xiàn)冷凝水與煙氣的雙重物理隔離，當MGGH系統(tǒng)循環(huán)水泄漏時，水側(cè)的冷卻水無法進入煙道，徹底杜絕了冷卻水向煙道泄漏的安全隱患，解決了MGGH系統(tǒng)循環(huán)水泄漏引發(fā)的次生問題[3]。

經(jīng)設(shè)計計算，雖然三維管因為加強了管內(nèi)外流體的擾動，具有換熱系數(shù)高[三維管換熱系數(shù)高達65 W/（m2·℃）]，抗積灰性能、抗硫酸氫銨粘附性能優(yōu)異的典型特征，但其單根換熱面積小，本次改造一級換熱器、二級換熱器出口煙溫參照原設(shè)計參數(shù)，如全部采用三維管布置，將存在設(shè)備占地面積大，現(xiàn)有場地?zé)o法滿足布置要求的問題。

針對目前燃煤機組多數(shù)存在硫酸氫銨粘附空預(yù)器及一級換熱器、換熱器前排翅片管磨損較為嚴重的情況，提出基于以上方案的優(yōu)化方案，即高溫段迎風(fēng)面前四排采用三維管，其余采用U型開齒翅片管熱管的組合形式。該優(yōu)化方案具有下述優(yōu)點：

1）在迎風(fēng)面前四排布置三維管，可以起到傳統(tǒng)防磨假管的作用，同時將原本不參與換熱的假管替換為高效換熱的熱管，技術(shù)經(jīng)濟性更好。2）將低溫循環(huán)水先引入三維管加熱，加熱后的循環(huán)水再進入U型開齒翅片管熱管繼續(xù)加熱，可充分利用三維管換熱系數(shù)高的特性，通過增加三維管的對數(shù)平均溫差，實現(xiàn)快速降溫。經(jīng)理論計算，布置四排三維管可實現(xiàn)4～5 ℃的降溫幅度。3）錯列布置三維管，通過有效組合三維變空間的特性，實現(xiàn)高動能、高濃度粉塵的高效攔截，減輕后續(xù)U型開齒翅片管熱管的磨損和積灰。4）三維管與U型開齒翅片管熱管耦合布置，占地小，阻力小，設(shè)備投資大幅降低，技術(shù)經(jīng)濟性更佳。5）考慮到本項目主要須滿足二級換熱器溫升要求，經(jīng)熱平衡計算，一級換熱器進口煙溫從135 ℃降至103 ℃即可滿足該要求，故本優(yōu)化方案的一級換熱器出口煙溫?zé)o須降到90～95 ℃。因此，優(yōu)化方案滿足一級換熱器降溫幅度要求，同時能在現(xiàn)有場地內(nèi)完成熱管一級換熱器的布置，基本實現(xiàn)了支架、基礎(chǔ)不加固，僅進行適應(yīng)性改造，煙氣阻力小、設(shè)備投資合理的目標。

5" " 結(jié)束語

MGGH一級換熱器采用三維管作為重力熱管的吸熱元件，該新型三維重力熱管技術(shù)，既可以利用三維管煙氣側(cè)強化傳熱、抗積灰、抗磨損、抗腐蝕等優(yōu)點，又可以結(jié)合熱管內(nèi)高效熱傳導(dǎo)、遠距離熱傳輸、不導(dǎo)致大規(guī)模泄漏等特性，有效解決了積灰、磨損和泄漏問題。

在實際應(yīng)用中，雖然三維管單根換熱面積小，若所有換熱元件采用三維管難以滿足現(xiàn)有場地布置要求，但本文提出的優(yōu)化方案，即高溫段迎風(fēng)面前四排采用三維管，其余采用U型開齒翅片管熱管的組合形式，結(jié)合二級換熱器溫升需求的合理設(shè)置，即可滿足改造要求。

[參考文獻]

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[3] 謝玲，張洪濤，李吉業(yè)，等.煙水雙隔離相變式煙氣深度冷卻器技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù)，2023（12）：36-39.

收稿日期：2024-07-09

作者簡介：龐先園（1993—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，助理工程師，從事電廠熱能與動力工程工作。