整體(軋制)型螺旋翅片管應用于鍋爐對流傳熱部件的研究

劉新合，周樹茂

（1．華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450015；2．河南省賽福爾 （Sapphire） 科技有限公司, 河南 鄭州 450000）

電站鍋爐省煤器、低溫省煤器，余熱鍋爐省煤器、蒸發器等均屬于對流傳熱部件，其結構型式為多排蛇形管束，安裝布置于鍋爐尾部煙道內，通過吸收煙氣余熱，預熱鍋爐給水和蒸發蒸汽。為最大限度吸收利用煙氣余熱，越來越多地采用增加對流傳熱管束煙氣側面積的方式進行強化傳熱。目前，用于制作省煤器等強化傳熱部件的管束元件，有H型翅片管、高頻焊接翅片管和整體（軋制）型螺旋翅片管等。由于后者面世時間較短，業內對其性能特點、設計選型方法以及傳熱效果認識較少。以下對整體（軋制）型螺旋翅片管的技術性能、基于此管的熱力計算方法及工程實例效果進行論述。

一、整體（軋制）型螺旋翅片管及性能特點

1.整體（軋制）型螺旋翅片管是采用多棍滾壓軋制技術，坯管經中頻加熱后連續軋制而成。翅片管表面平整光滑，翅片與基管R圓角過渡；金相組織為鐵素體+珠光體，組織致密，金屬文理連續。結構如圖1所示。

2.性能特點。

(1)傳熱效率高

軋制出的翅片使傳熱管表面積增加5倍以上。翅片剖面呈梯形，符合傳熱梯度規律。翅片和基管一體，不存在H型翅片管、高頻焊接翅片管焊縫所造成的熱阻。所以整體（軋制）型螺旋翅片管比其他型式傳熱管具有更高的傳熱效率。

影響對流傳熱效率的另一個主要因素，是傳熱管束的灰污厚度。對于整體（軋制）型螺旋翅片管，當煙氣氣流橫向沖刷管束時，由于翅片與基管的R圓角過渡，在齒槽間會形成渦旋，加之螺旋翅片根部所形成的軸向風速，使得整體（軋制）型螺旋翅片管具有一定的自清作用，不易積灰。

圖2是西安交通大學多相流國家實驗室《氣流橫向沖刷管束時飛灰沉積特性的試驗研究》關于整體（軋制） 型螺旋翅片管、H型翅片管、針翅管的飛灰沉積特性試驗研究成果。

從圖2得出結論：錯列布置的整體（軋制）型螺旋翅片管、順列布置的整體（軋制） 型螺旋翅片管積灰輕微；其次是錯列、順列布置的H型翅片管；針翅管積灰嚴重。

(2)使用壽命長

以20#（GB3087） 為例，經過軋制加工后，整體（軋制）型螺旋翅片管的機械強度σs由原坯管的260MP提高到450MP，材料表面硬度由HV170提高到HV250。由此，整體（軋制）型翅片管省煤器比H型翅片管、高頻焊翅片管、光管具有更強的承壓能力和更高的耐磨性能，使用壽命顯著提高。

另據相關研究，煙氣氣流橫向沖刷對流傳熱管束時，管束磨損與煙氣流速ω的3.22次方成正比，因此降低煙氣流速是解決管束磨損的有效途徑之一。在吸熱量保持不變的情況下，由于整體(軋制)型螺旋翅片管具有強化傳熱的功能，可大幅度減少傳熱管束的橫向和縱向管排數量，因此煙氣流速有所降低，磨損量減小。如朝陽發電廠2#爐省煤器改造后，在省煤器吸熱量有所增加的情況下，煙速降低了0.7m/s，大大減輕了省煤器的磨損，提高了省煤器的使用壽命。

二、整體（軋制）型螺旋翅片管熱力計算方法及管束布置

1.以省煤器為例，其計算步驟如下。

(1)已知省煤器進口煙氣溫度，并假定省煤器煙氣出口溫度，查表求出其焓值，然后按煙氣側熱平衡方程式Qrp=φ(I"-I'+△αI0lf)求出煙氣放熱量。其中φ為鍋爐保熱系數，I"和I'分別為省煤器進出口煙氣焓值，△α為省煤器漏風系數，I0lf為環境溫度下空氣焓值。

(2)已知省煤器工質進口溫度，按工質側熱平衡式求出工質出口焓值及溫度。

(3)根據煙氣和工質的進出口溫度及煙道尺寸情況大致布置受熱面，可求出工質及煙氣的平均溫壓△T、煙氣和工質的流速及受熱面積H等。

(4)計算省煤器受熱面的傳熱系數K。

(5)根據傳熱方程式確定受熱面的傳熱量Qcr，Qcr=K×H×△T。

對于省煤器，△Q＜2%時，迭代計算完畢。

上述(4)對流受熱面的傳熱系數計算仍沿用原蘇聯鍋爐機組熱力計算標準方法，其公式為

式中：K——傳熱系數，kW/(m2·K)；

α1zs、α2zs——煙氣和工質側折算放熱系數，kW/(m2·K)；

H、Hn——煙氣和工質側總比表面積，m2。

由于鍋爐受熱面中煙氣側熱阻總是遠大于工質側，因此，按照標準方法計算省煤器時，將1/α2zs忽略。此時，傳熱系數K=α1zs。

而α1zs取決于煙氣對管壁的對流放熱系數αd、翅片參數及灰垢層熱阻，公式如下

式中：α1zs——煙氣側折算放熱系數，kW/(m2·K)；

Hlb/H——煙氣側翅片表面積與煙氣側全部表面積之比；

E——表征翅片傳熱量有效程度的參數，也稱翅片傳熱效率。其值取決于翅片形狀、厚度以及材質的熱導率等因素；

μ——沿高度翅片厚度變化的影響系數；

Hg/H——管子無翅片部分面積與煙氣側全部表面積之比，Hg/H=1-Hlb/H；

φ1b——考慮翅片表面放熱不均勻的影響系數，對于整體（軋制）型螺旋翅片管，建議取0.85；

αd——翅片表面對流放熱系數，省煤器熱力計算時僅考慮對流傳熱，kW/(m2·K)；

ξ——污染系數，(m2·K)/kW。根據上海理工大學、西安交通大學等相關機構和人員對整體(軋制)型螺旋翅片管灰污形成機理研究和試驗，擬合了該管的污染系數公式

式中：ω——煙氣流速m/s。

2.管束布置型式。

根據研究成果和工程實踐，使用整體(軋制)型螺旋翅片管制作的傳熱管束，在煙道風場中采用錯列布置，更有利于煙氣氣流的均勻，避免煙氣走廊的產生。同時可有效減輕灰污沉積。

三、應用實例及效果

某75t/h循環流化床鍋爐省煤器改造所選用整體(軋制)型螺旋翅片管結構參數見圖3。按照上述計算步驟和鍋爐實際空間要求，整體(軋制)型螺旋翅片管省煤器管束采用錯排布置，橫向17排，節距122mm，縱向12排，節距75mm，管子受煙氣橫向沖刷面積1 619.9m2，煙氣流速ω約7.79m/s，計算傳熱系數K=α1zs=0.055 8kW/(m2·K)。

該鍋爐省煤器改造安裝后于2012年8月開始運行至今，改造前后省煤器運行數據見表1。

四、結論

第一，選用整體型(軋制)螺旋翅片管作為對流傳熱管束元件時，熱力計算中，按照以上給出的傳熱系數K和灰污系數ξ的計算方法，得出的計算結果符合工程實際。

第二，整體型(軋制)螺旋翅片管應用于對流傳熱部件，其傳熱效率、抗積灰性能、耐磨性能及使用壽命均高于其他類型的翅片管。

表1 某75t/h流化床省煤器改造前后運行參數比較

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