煙氣深度冷卻器磨損及防控措施的研究與分析

宋修奇，張洪濤，李蜀生，張光榮，傅吉收，李吉業，高 旭

(青島達能環保設備股份有限公司，青島 266300)

0 引 言

2019年底全國全口徑發電裝機容量20.1億kW，火電裝機容量11.9億kW占59.2%[1]；我國現役火電機組的排煙溫度普遍在110～160℃之間，鍋爐排煙熱損失約占鍋爐總熱損失的60%～70%。鍋爐排煙溫度因煤質變化、換熱面積灰、破損等原因會逐漸升高，不僅造成了火力發電機組煤耗增加，同時也會降低除塵器效率，增加脫硫塔耗水量等眾多問題[2]。

2012年，國務院同意發展改革委會同有關部門制定的《節能減排綜合性工作方案》，其中的主要目標為“到2010年，萬元國內生產總值能耗由2005年的1．22噸標準煤下降到1噸標準煤以下，降低20%左右；單位工業增加值用水量降低30%。”2014年三部委聯合發布《煤電節能減排升級與改造積灰(2014～2020年)》，其中要求“東部十一省新建燃煤發電機組大氣污染物濃度達到燃氣輪機組排放限值(超低排放，粉塵5 mg)”，隨之國家對超低排放要求進一步提高，火力發電除塵技術要求進一步提高，煙氣深度冷卻器將電除塵器入口煙溫降低至酸露點溫度90℃左右，使煙氣中大部分SO3冷凝形成硫酸霧，被粉塵粘附、包覆后被堿性物質中和，粉塵比電阻下降，從而大大提高了電除塵器效率[3-4]。

煙氣深度冷卻器簡稱煙冷器，也可叫做低溫省煤器，是實現燃煤機組節能減排和超低排放的關鍵技術，此產品在火力發電廠得到大力推廣應用并成為不可或缺的重要設備。但因其所處的惡劣環境，在實際運行極易發生磨損泄露、低溫腐蝕或積灰，低溫腐蝕可通過選用耐腐蝕材料，積灰可通過吹灰器等方式緩解或解決，但磨損泄露會給設備的安全運行帶來極大影響，因此本文針對煙氣流場模擬及實際應用中易發生的磨損區域進行原因分析，并提出相應的防控措施。

1 磨損的機理及原因分析

我國火力發電廠主要燃料為煤，煤粉燃燒產生的煙氣中含有大量飛灰顆粒，煙氣流經換熱面時，灰顆粒與換熱面發生碰撞摩擦，使換熱面管壁逐漸減薄，這是飛灰顆粒對換熱面發生磨損的過程[4]。

煙冷器受工作環境、工作條件等限制影響，煙冷器在實際運用中極易發生貼壁磨損、局部煙氣流速過快產生的磨損，以及局部形式的煙氣走廊等磨損。現針對上述幾種常見的磨損進行原因分析以便準確的找出應對措施，減輕換熱面的磨損。

1.1 貼壁磨損

煙氣中含有大量飛灰顆粒物，因煙道截面不均勻，受離心力和慣性力作用，使煙冷器換熱面磨損不均勻，長期的沖刷會造成局部換熱管模式泄露。如圖1是煙冷器局部磨損實物圖。

經煙氣流場模擬分析得，引起上述磨損的主要原因是貼壁磨損。數值模擬詳見圖2，貼壁磨損具體分析見表1。

表1 貼壁磨損分析

1.2 煙氣流速磨損

已有的研究結果表明，鍋爐尾部換熱面的磨損與煙氣流速的n次方成正比(2.3

1.3 煙氣走廊磨損

煙冷器在設計時，為保證安裝誤差翅片與支撐板之間，以及模塊之間都需要留有一定的間隙，此外為了保證安裝誤差，煙冷器現場安裝時也需要與煙道之間留有一定的間隙，該間隙就是所謂的煙氣走廊。在煙氣走廊中的氣流因阻力較小，故煙氣走廊中煙氣流速會很大，此外煙氣走廊中煙氣流速會逐漸增大且與橫向流動有關，而橫向流動的速度與換熱管管束和煙氣走廊的結構等有關[7]。

煙冷器煙氣走廊一般是由于加工制造水平和現場安裝誤差兩種情況造成的。現煙冷器換熱管90%以上為翅片管，由于機組大小的不同換熱管長度不一，為了保證設備的穩定性管排之間需要設置數量不等的支撐板，為了保證翅片與支撐板安裝不干涉，一般都會在支撐板與翅片之間留有一定的安裝間隙；現煙冷器基本為模塊供貨，為保證模塊現場安裝不干涉，兩模塊之間也會留有一定的安裝間隙，上述是由于加工制造水平導致的煙氣走廊。煙冷器現場安裝完成后，需要在設備外部焊接封殼與原道進行連接、封閉，防止煙氣泄露，由于現場安裝空間限制，一般會在設備與封殼之間留有一定的安裝間隙，如果現場不能把此安裝間隙封堵也會形成煙氣走廊。圖5和圖6是煙氣走廊的煙氣流場模擬圖和換熱器磨損圖。

2 防控措施

2.1 煙氣流場整體優化

煙冷器一般布置在空預器出口至除塵器前的入口煙道內，各處各個方向煙氣流場不均各不相同，需要進行加權整體處理，設置煙氣流場不均累積系數。根據煙氣流場不均累計系數對換熱器入口均流板進行優化設計，對煙氣流場的進行調控均勻化；通過上述優化后煙冷器的磨損、積灰情況會大大降低。以下為不同項目，因均流措施設置的不同等原因，導致煙氣流場不均累計系數相差較大，煙冷器投運一年后的磨損情況也差別較大；通過煙氣流場優化后，流場不均累計系數為17.6的項目，煙冷器運行一年后無明顯磨損積灰，未進行煙氣流場優化，流場不均累計系數為196.4的項目，設備投運一年后出現了積灰、磨損泄露等嚴重問題。

2.2 產品結構防控措施

改造工程中，存在煙氣流場不均累計系數超標現象，受經濟性限制又無法對整個空間進行大改造，可對產品局部進行防控：①增大導流板末端與換熱面之間距離；②翅片沿煙氣流動方向交錯排布，如圖9所示；③導流板末端及煙道壁增加鈍體均流煙氣，如圖10所示；④提高加工制造水平和現場安裝誤差防止煙氣走廊的形成。這些防控措施經實踐檢驗對煙冷器的貼壁磨損、煙氣流速磨損及煙氣走廊磨損等效果顯著。

2.3 防磨裝置

針對煙氣流場模擬及實際運行中煙氣流速過高、易磨損區域采取特殊防磨處理，如加裝防磨護瓦等措施，可根據煙氣中灰分的含量、灰顆粒硬度選擇不同材質的防磨護瓦。表2不同材料的硬度，相同條件下物料硬度與抗磨性成正比。

表2 不同材料的硬度

2.4 其他防控措施

除了上述煙氣流場整體優化與產品結構防控措施等措施，也可以通過以下措施減輕換熱器磨損：①降低煙氣流速減輕換熱面磨損；②在煙冷器前加裝光管或翅片管等防磨假管形式，減輕對換熱管的沖刷磨損；③對于易磨損的前部管排采用可折卸、更換的換熱管形式，若換熱管出現磨損泄露方便更換。

3 結束語

(1)分析總結了煙冷器常見的磨損形式，為后續防控、改進提供一定依據。

(2)對于換熱器入口煙氣流場模擬提出了煙氣流場不均累積系數的概念，該概念能夠更真實反應煙冷器入口煙氣流場的情況，可在設計初期預測煙冷器的磨損情況或位置，為以后煙冷器的設計、均流板布置或重點磨損區域提供重要的依據。

(3)對于煙氣流場模擬及實際運行中易磨損區域提出了一系列的防控措施，針對容易出現的貼壁磨損、局部煙氣流速過快、煙氣走廊等制定了相關的應對措施，措施已運用到實際工程中，防磨效果顯著。