零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)研究

摘要：零泄漏高效熱管取熱器主要應(yīng)用于電力、熱力和燃氣等行業(yè)，屬于資源節(jié)約與環(huán)保技術(shù)。為徹底解決除塵器前傳統(tǒng)的LGGH（低低溫煙氣換熱器）取熱器存在的磨損泄漏、煙風道堵塞等技術(shù)難題，提出一種零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)，主要是在除塵器前的煙道內(nèi)安裝一套基于軸向重力熱管技術(shù)原理的零泄漏高效熱管取熱器，并融合智慧環(huán)保技術(shù)，提高煙氣余熱利用率，實現(xiàn)粉塵穩(wěn)定排放前提下的電除塵能耗最小化運行。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；零泄漏；熱管取熱器；智慧環(huán)保

中圖分類號：TK172" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.019

0" " 引言

低低溫電除塵器主要利用前端的LGGH（低低溫煙氣換熱器）取熱器或低溫省煤器實現(xiàn)電除塵器入口煙溫的降低，從而能夠減少電除塵器的煙氣處理量，增加煙氣停留時間，降低粉塵比電阻，顯著提高煙塵的脫除效率[1]。全國電廠在前幾年超低排放改造期間紛紛增設(shè)了LGGH取熱器或低溫省煤器，其中LGGH取熱器或低溫省煤器均為管殼式換熱器，經(jīng)過多年運行后，原有管殼式取熱器逐漸出現(xiàn)局部堵塞、磨損和泄漏現(xiàn)象，造成部分換熱管組無法投入運行，部分換熱器面臨嚴重磨損泄漏，嚴重影響其后部除塵器安全運行[2]。隨著大量已服役的傳統(tǒng)取熱器使用壽命將至，如何在滿足LGGH升溫器升溫需求，取得經(jīng)濟、環(huán)境效益的同時顯著提升設(shè)備的本體安全成為一項重要課題。

1" " 零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)

針對傳統(tǒng)LGGH取熱器或低溫省煤器普遍面臨磨損、泄漏，危害低低溫除塵器的問題逐步加劇爆發(fā)的背景下，本文提出了一種適用于大中小機組的零泄漏高效真空熱管取熱器，可替代原有傳統(tǒng)管殼式取熱器，并與低低溫電除塵器作為一個組合，實現(xiàn)煙氣余熱回收和煙氣高效除塵。

1.1" " 技術(shù)原理

零泄漏高效熱管取熱器是基于軸向重力熱管技術(shù)原理，圖1為軸向重力熱管工作原理示意圖，在結(jié)構(gòu)上其分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。首先，在熱管的蒸發(fā)段，從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)在冷凝段遇冷釋放潛熱后又冷凝變?yōu)橐后w，然后在重力的作用下重新返回到蒸發(fā)段，于是熱量通過這種循環(huán)過程的不斷進行實現(xiàn)了傳遞[3]。

1.2" " 取熱器本體結(jié)構(gòu)

零泄漏高效熱管取熱器由若干重力熱管作為換熱元件組成，如圖2所示，采用三段式設(shè)計：1）熱管蒸發(fā)吸熱區(qū)；2）熱管冷凝放熱區(qū)；3）熱管頂端儲氣區(qū)。

熱管蒸發(fā)吸熱區(qū)采用開齒螺旋翅片管的擴展換熱面結(jié)構(gòu)形式，具有換熱效率高、抗積灰能力好的特點。

熱管冷凝放熱區(qū)采用蛇形流道的套管式水冷結(jié)構(gòu)，冷卻水流通結(jié)構(gòu)總體采用圓管制作，可滿足承受較高水壓的要求，冷凝段對應(yīng)的每一根熱管外設(shè)水套管，套管之間采用蛇形走水方式，增加了冷凝放熱區(qū)冷卻水的水程，提高了換熱效率，與常規(guī)的集箱式流通結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)可以承受更高的水壓，工況適應(yīng)性更寬。

熱管頂端儲氣區(qū)具有臨時儲存不凝性氣體的功能，并且儲氣區(qū)上方設(shè)置有可開閉調(diào)節(jié)的排氣封頭。該儲氣區(qū)的設(shè)計是確保熱管長久高效運行的一個重要保障手段，用于儲存熱管運行一個長周期之后管內(nèi)形成的不凝性氣體，可以通過紅外檢測模塊前后進出口溫差（水溫、煙溫）等手段判斷儲氣區(qū)內(nèi)部存儲的不凝性氣體含量，最后利用儲氣區(qū)上方可開閉調(diào)節(jié)的排氣封頭，將管內(nèi)的不凝性氣體排放至管外，保持管內(nèi)真空度，使熱管保持高效性。

如圖3所示，零泄漏高效熱管取熱器為適應(yīng)場地條件，可設(shè)計成大模塊或小模塊結(jié)構(gòu)，當采用小模塊結(jié)構(gòu)時，可由2～8排的換熱管排自由靈活組成，從而靈活控制模塊重量以適應(yīng)現(xiàn)場吊裝能力。

實踐中，由于取熱器所處位置的煙塵濃度相對較大，防磨假管長時間受到煙塵沖刷磨損后將失去防磨作用，使得煙塵直接沖刷換熱管排，最終導(dǎo)致?lián)Q熱管排逐步失效，煙氣換熱器的換熱性能也逐步下降。然而，傳統(tǒng)的防磨假管采用焊接的安裝方式，當需要更換防磨假管時，只能通過割除舊管、重新焊接新管的方式，這種方式不僅效率低下，維護成本高，而且也容易對下游的換熱管排造成損壞。

零泄漏高效熱管取熱器的防磨假管具有可拆卸功能，當防磨假管組件受到煙氣中粉塵的沖刷磨損后，可以快速拆卸并重新更換，效率高，維護成本低。

1.3" " 零泄漏原理

工作時，每一個零泄漏高效熱管取熱器的冷卻水和煙氣分別從換熱器的上、下部分流通過，熱煙氣和冷卻水之間由絕熱中間隔板和水套管實現(xiàn)雙重物理隔離，組成換熱裝置的每根熱管都是獨立的換熱元件，管內(nèi)工質(zhì)也互不相通。在煙氣側(cè)，即使個別熱管受煙塵顆粒沖刷磨損后發(fā)生泄漏，也僅有該根熱管內(nèi)部的少量工質(zhì)會泄漏進入煙道，然后被熱煙氣快速蒸發(fā)，而冷卻水與煙氣仍然處于隔離狀態(tài)，不會泄漏進入煙氣側(cè)，從而杜絕了由于不可避免的磨損造成冷卻水泄漏，引發(fā)換熱器積灰板結(jié)、煙氣流通通道堵塞以及對電除塵器正常運行的不良影響，可以保證機組長周期安全、穩(wěn)定運行。

2" " 零泄漏高效熱管取熱器配套技術(shù)研究

2.1" " 熱管現(xiàn)場封裝技術(shù)

本文提出了一種能夠有效保障操作人員安全的熱管現(xiàn)場封裝技術(shù)和方法，如圖4所示，包括以下步驟：

S1：基于預(yù)灌注試驗和灌注排氣試驗，確定待封裝熱管灌注的基礎(chǔ)參數(shù)。

S2：熱管設(shè)備組裝完畢后，根據(jù)待封裝熱管灌注的參數(shù)進行熱管預(yù)灌注操作。

S3：根據(jù)待封裝熱管灌注的參數(shù)，進行熱管灌注操作。

S4：灌注完成后進行排氣操作。

S5：待封裝熱管完成排氣操作后，進行熱管封裝操作。

在熱管灌注前，設(shè)置對熱管進行預(yù)灌注操作，利用工質(zhì)在熱管下部蒸發(fā)吸熱的過程，降低熱管下部管壁溫度，可完全規(guī)避灌注時工質(zhì)蒸汽在熱管下部快速沸騰將液態(tài)工質(zhì)頂出熱管，造成現(xiàn)場人員遇險及工質(zhì)溢出的風險，在保護熱管生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，為操作人員安全提供技術(shù)保障。

2.2" " 融合智慧環(huán)保技術(shù)

零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)融合了智慧低溫省煤器和智慧電除塵自動控制技術(shù)：

其一，應(yīng)用多目標粒子群優(yōu)化算法（Multi-

Objective Particle Swarm Optimization，MOPSO）在尋優(yōu)范圍內(nèi)初始化多組運行參數(shù)組合，連同工況指標置入LSTM網(wǎng)絡(luò)進行粉塵預(yù)測，后建立運行參數(shù)對應(yīng)的排放目標偏差、電能損耗、調(diào)節(jié)幅度等綜合評價函數(shù)，作為尋優(yōu)算法評判依據(jù)，高效選取高適應(yīng)度的解不斷迭代升級，得到安全、節(jié)能最佳策略。

其二，基于設(shè)備換熱機理，以水比熱、傳熱溫差、熱阻值、凈流速等特性指標為依據(jù)構(gòu)建換熱公式，實時推算出理論和實際換熱系數(shù)?；诤Ａ窟\行數(shù)據(jù)的換熱特性挖掘，是以同負荷、同進口煙溫、同冷卻水量下熱管換熱器的出口煙溫、水溫隨時間推移的數(shù)值變化來定性分析。若比對時序數(shù)據(jù)下的出口煙溫提高超過10 ℃，或出口水溫下降超過10 ℃，可判斷換熱效率下降。

其三，通過三維建模工具實現(xiàn)真空熱管、除塵設(shè)備的虛擬化創(chuàng)建、信息呈現(xiàn)、透視旋轉(zhuǎn)等一系列操作，形成更加直觀的設(shè)備狀態(tài)感知。支持2D實時數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示，實現(xiàn)了低省設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測，基于設(shè)備工藝流程圖查看實時數(shù)據(jù)和歷史曲線，可以滿足運行人員日常監(jiān)測要求，實現(xiàn)狀態(tài)檢修和精準運維。

3" " 工程應(yīng)用

3.1" " 改造方案

江蘇某電廠660 MW機組于2015年超低排放改造時新建LGGH裝置，其中LGGH降溫器經(jīng)過多年運行，換熱管組經(jīng)常發(fā)生磨損泄漏，造成降溫器煙道積灰堵塞，泄漏嚴重時還會造成除塵器倉泵積水堵塞，給機組安全經(jīng)濟運行帶來了嚴重的安全隱患。鑒于上述情況，電廠在2023年將原LGGH降溫器全部拆除，更換為零泄漏高效熱管取熱器，取熱器的布置位置與原LGGH降溫器相同，布置于電除塵器前水平煙道。降溫器沿煙氣方向分前后兩組換熱器，每組換熱器在垂直方向設(shè)置5個換熱分區(qū)，每個煙道共有10個換熱分區(qū)。此外，本項目采用智慧低省和智慧電除塵自動控制技術(shù)，對零泄漏高效熱管取熱器和低低溫電除塵器進行監(jiān)測與控制。

零泄漏高效熱管取熱器設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3.2" " 運行效果

該電廠#4機組零泄漏高效熱管取熱器自2023年11月竣工驗收投運至今，運行效果良好。2024年1月，第三方測試單位對該項目進行性能考核試驗，在100%負荷率工況下，試驗測試結(jié)果如下：

1）煙氣溫度：100%負荷率工況，試驗測得取熱器入口平均煙溫為113 ℃，出口平均煙溫為93 ℃，修正曲線修正后取熱器出口煙溫為101 ℃，滿足性能保證值要求。

2）系統(tǒng)壓力損失：100%負荷率工況，取熱器壓力損失為485 Pa，滿足保證值要求。

此外，根據(jù)運行人員的不完全統(tǒng)計，智慧除塵系統(tǒng)未投運時，電除塵器耗電率約為0.189 3%，智慧除塵系統(tǒng)投運后，除塵器耗電率約為0.138 6%。經(jīng)計算，得出智慧除塵系統(tǒng)投運后電除塵器的節(jié)電率為26.78%，超過技術(shù)協(xié)議節(jié)電率20%以上的指標要求。

4" " 總結(jié)及展望

本文所述零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)具有以下主要特征和優(yōu)勢：

1）具有雙重物理隔離效果，可確保冷卻水不會泄漏進入煙氣側(cè)，徹底解決了傳統(tǒng)LGGH取熱器或低溫省煤器冷卻水泄漏后造成的積灰堵塞等問題。

2）抗積灰能力好、換熱效率高，并且可以在線排出熱管內(nèi)的不凝性氣體，使用壽命長。

3）場地適應(yīng)性好，可以根據(jù)場地條件設(shè)計成大模塊或小模塊。

4）防磨假管可以快速拆卸并重新更換，效率高，維護成本低。

5）熱管現(xiàn)場封裝技術(shù)在保護熱管生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可為操作人員安全提供技術(shù)保障。

6）融合智慧低省和智慧電除塵自動控制技術(shù)，提高了煙氣余熱利用率，實現(xiàn)了粉塵穩(wěn)定排放前提下的電除塵能耗最小化運行。

零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)可以徹底解決傳統(tǒng)LGGH取熱器或低溫省煤器冷卻水泄漏后造成的積灰堵塞等問題，并且融合智慧環(huán)保技術(shù)后，可提升設(shè)備運維效率，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2024-07-15

作者簡介：俞忠勇（1969—），男，浙江海寧人，高級技師，從事電廠熱能與動力工程工作。