燃煤電廠低溫省煤器應用現狀與改進

文_謝慶亮 袁素華 王正陽 程鴻 朱堯

1.福建龍凈環保股份有限公 2.國家電投集團江西電力有限公司景德鎮發電廠

經過近幾年國內電力行業的實踐與發展，低低溫電除塵器因其除塵效率高、改造成本小、工況適應性好、高效協同脫除SO3等特點，已廣泛應用于國內燃煤機組。低低溫電除塵器配套的低溫省煤器可將煙氣溫度由低溫狀態降低至低低溫狀態，對于電除塵器的高效運行起著至關重要的作用。然而低溫省煤器普遍存在的換熱管束磨損泄漏、局部腐蝕、積灰等現狀，影響到電除塵器的正常穩定運行，甚至影響了超低排放的效果，燃煤電廠低溫省煤器的升級改造迫在眉睫。

1 燃煤電廠低溫省煤器應用現狀

燃煤電廠低溫省煤器布置在除塵器前，處理的煙氣含塵濃度一般為10 ～50g/m3，粉塵濃度較高。據統計，已投運的161臺低溫省煤器中，超過40%的項目暴露出泄漏的問題，出現泄漏的平均時間為2～3 年。目前針對低溫省煤器的泄漏還未開發出非常有效的檢測裝置，因此一旦換熱管發生泄漏無法及時被發現，冷卻水將源源不斷的進入煙道中，影響低低溫電除塵器及機組的安全運行。

造成低溫省煤器泄漏的主要原因為有磨損、局部腐蝕、安裝制造缺陷等，主要表現在磨損泄漏、局部腐蝕泄漏和受熱面積灰3 個方面。

磨損發生的重點部位為煙氣走廊、支托板及側板、迎風面及背風面中下部等氣流不均處，出現磨損的主要原因包括設計不合理、換熱器煙氣變向引起的顆粒濃度集中等。

局部腐蝕主要是硫酸氫銨腐蝕、膨脹端彎頭酸腐蝕等。超低排放改造后，由于氨逃逸問題，部分機組出現硫酸氫銨在低溫省煤器上粘附、積灰、堵塞，造成阻力上升。換熱器膨脹端由于管子與孔板間有空隙，粉塵容易進入到膨脹端，而煙氣也容易經由縫隙流出，再由下游的縫隙流回到換熱器形成短路。由于膨脹端內煙氣受冷，酸性氣體冷凝，進而對彎頭產生腐蝕。

由于硫酸氫銨粘附堵塞等原因造成換熱器積灰而運行阻力超標，而膨脹側由于結構原因易積灰。

針對低溫省煤器磨損、泄漏、積灰等現狀，現有技術一般采用流場優化、材料或結構改進等增強其防磨、防漏性能。

2 采用流場優化技術改進低溫省煤器

低溫省煤器入口煙道一般存在大范圍渦流，可能會導致煙道內積灰。低溫省煤器上游及內部也可能存大渦流，不僅影響換熱管換熱效率，還存在換熱管磨損的隱患。

采用流場優化的方式可消除大范圍的渦流，降低局部高風速，提高換熱效率及防磨性能。該技術雖然可在一段時間內減輕磨損，延長管束使用壽命，但是一旦某根管泄漏，冷卻水還是會進入煙道，不能根本解決磨損、泄漏問題。

3 采用材料或結構改進低溫省煤器

耐磨型管殼式低溫省煤器是針對換熱管采取多種強化防磨措施，通過增強換熱管的耐磨性能來達到延長換熱管的使用壽命。方法有噴涂防磨涂料、應用新型耐磨換熱管束等。

例如在低溫省煤器防磨重點部位加裝防磨假管、防磨瓦等替代磨損措施，可延長使用壽命，或采用整體式螺旋翅片管作為防磨結構。整體（軋制）型螺旋翅片管采用多輥滾壓軋制技術，具有更強的承壓能力和耐磨性能。

無論換熱管采取何種強化防磨措施，雖能一段時間內減輕煙塵對換熱管的磨損，但是由于其采用大流量或全流量的凝結水進入換熱管束內部換熱，一旦出現泄漏，大量凝結水仍將從泄漏點進入煙道，對機組的安全運行造成威脅。另外，有限腐蝕法的工業應用證明其在控制低溫腐蝕上具有一定的效果，但由于機組的變工況運行及部分項目的運行智能化欠缺，導致低溫省煤器出現一定的低溫腐蝕。因此，傳統低溫省煤器已經不能滿足穩定、高效運行的要求。而新型熱管式低溫省煤器利用真空重力式熱管作為換熱元件，有冷卻水零泄漏的優點，可提高機組的經濟性和設備安全性。

4 新型熱管式低溫省煤器

4.1 工作原理

新型熱管式低溫省煤器采用重力熱管作為超導換熱元件，提高了換熱的性能，同時保證了低溫省煤器上下游設備的安全。

如圖1 所示，熱管底部的蒸發段吸收煙氣熱量，液態工作介質吸熱蒸發后上升至冷凝段放熱，冷凝后的液體工作介質在重力作用下回到底部重新吸熱蒸發，周而往復。煙氣和冷凝段冷卻水集箱之間由絕熱段的隔板分隔，冷卻水側設置特制的套管組件進行獨立完全隔離，套管與絕熱段隔板互不相通，實現了雙重物理隔離的安全使用要求。此外，熱管省煤器可以根據不同煙氣參數調整冷熱兩側的傳熱面積，避免了由于壁溫過低導致的腐蝕問題。同時，該結構亦方便拆卸裝配，便于維修保養。

圖1 重力式熱管工作原理

4.2 熱管式低溫省煤器結構

4.2.1 水側結構

真空熱管低溫省煤器的水側常見結構為圓形水箱、方形水箱結構及套管(圖2）。選擇主要依據為安全可靠，通過流通水壓計算出的耐壓能力確定。真空熱管低溫省煤器的冷凝段流通介質常為汽輪機低加系統的凝結水，一般大型機組的凝結水設計壓力為2 ～6．4MPa，屬于中高壓。圓形水箱可滿足該設計壓力，但僅適用于機組規模較小的場合，機組規模較大時，占地大且技術經濟性差。方形水箱無法滿足該設計壓力，可通過設置雙回路系統實現壓力減小，但需增設循環泵、水-水換熱器等，設備初期投資及運行成本較高。

圖2 套管結構

套管結構可滿足該設計壓力，冷凝水通過套管結構直接與熱管冷凝段進行換熱。如圖2 所示，每根熱管冷凝段的外部都套上一個管，同時在上下各設有上集箱和下集箱，每一排熱管組件的上下集箱之間通過連接管相互連接形成冷卻水的流通水路。冷卻水總體與煙氣方向成逆流狀，此外，套管及上下集箱的圓管結構可提高水速，進而提高換熱效率。

4.2.2 煙氣側結構

熱管式低溫省煤器處于粉塵濃度較高的工況下，換熱器在煙道內部采用豎直布置，常規的H 型翅片管或螺旋翅片管均容易發生積灰，建議煙氣側采用開齒螺旋翅片管結構。

開齒螺旋翅片管在其螺旋翅片上均勻地開許多小口，管壁面上的槽道對翅片壁面上的流體邊界層進行切割與分離，增大了湍流度，積灰和結垢現象減少，傳熱得到強化。

4.3 輔助應用措施

4.3.1 流場優化

傳統低溫省煤器磨損泄漏的主要原因是氣流分布不均，為了使改造后的熱管式低溫省煤器流場更加流暢，采用CFD 流線型煙風道技術對其進行優化調整。

4.3.2 熱管失效監測

低溫省煤器長期運行引發的設備故障是一個緩慢的過程，傳統的檢測手段無法做到實時監測和提前預警。通過智慧環保全生命周期管理技術對熱管式低溫省煤器等設備進行預警，當數據偏差時發出故障預警，停爐期間對失效熱管進行再生或更換，確保設備高效正常運轉。

5 結語

低溫省煤器換熱管管束磨損泄漏、局部腐蝕、積灰等現狀一直是換熱器，包括鍋爐省煤器等設備需要重點考慮的問題，本文提出采用熱管式低溫省煤器的綜合改進思路，解決了傳統低溫省煤器因泄漏影響機組安全運行的問題。熱管式低溫省煤器具有換熱效率高、冷卻水零泄漏、風險低、節能減排效益顯著的優點，在余熱利用領域有著廣闊的應用前景。