燃煤鍋爐低溫省煤器防腐抑垢在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

顏廷學(xué) 李 偉 鄒明衡 呂昌旗

（1.華能洛陽熱電有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000； 2東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132000）

0 引言

我國是一個能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主的國家，隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，燃煤鍋爐的使用量越來越大。目前我國在用工業(yè)鍋爐約62萬臺，其中燃煤工業(yè)鍋爐約占工業(yè)鍋爐總數(shù)的80%以上。其年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約4億t，約占全國煤炭消耗總量的1/4[1]。燃煤產(chǎn)生的大量污染煙氣被直接排放到大氣中，對環(huán)境形成了嚴(yán)重?zé)嵛廴荆⑶覠煔猱a(chǎn)生的余熱也被浪費(fèi)。其中一個原因是由于煙氣溫度過低會產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕問題對設(shè)備造成損害，限制了燃煤鍋爐的設(shè)計排煙溫度[2]；另一個原因是設(shè)備在運(yùn)行過程中，煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量的飛灰顆粒、黏性物質(zhì)和酸性氣體，會導(dǎo)致排煙溫度升高、受熱面腐蝕與結(jié)垢問題、引風(fēng)機(jī)負(fù)荷大幅增加、經(jīng)濟(jì)成本上漲等對于生產(chǎn)不利的影響[3]。

在常見的防護(hù)手段中，高性能涂料作為1種最為經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)材料，在防腐耐蝕問題中廣泛應(yīng)用。而其中化學(xué)鍍相比于電鍍，具有成功率高、防腐耐蝕性能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本低、工藝流程較為簡單、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4]。化學(xué)鍍（Electroless plating）也稱無電解鍍或者自催化鍍（Auto-catalytic plating），是在無外加電流的情況下借助合適的還原劑，使鍍液中金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的1種鍍覆方法。許多研究[5]表明化學(xué)鍍層由于具有良好的耐腐性、耐磨性，鍍層厚度均勻，處理部件不受形狀限制，處理后的部件表面光潔，鍍層和基底不易脫落，可處理的基體材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)，因此其廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力和航空航天等工業(yè)部門[6]。

有研究[7]提出了換熱器在線系統(tǒng)的概念，開發(fā)了1種用于換熱器的污垢評估的專家系統(tǒng)。為換熱器的設(shè)計、除垢效果、安全性等提供評估參考。基于此，一些學(xué)者[8]建立了應(yīng)用于換熱器的在線監(jiān)測系統(tǒng)及模型。

現(xiàn)有的換熱表面評測手段較少且多為實(shí)驗室模擬測試，不能真實(shí)準(zhǔn)確地還原現(xiàn)場的實(shí)際工況，測試得到的數(shù)據(jù)難免與現(xiàn)場數(shù)據(jù)有一定的偏差，得出的結(jié)論無法很好地應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境。針對以上問題，該文介紹了1種評價換熱表面性能的在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于評測不同換熱表面的綜合性能。最后討論了不同換熱表面材料的防腐抑垢效果，并對防腐抑垢低溫省煤器的開發(fā)提出了建議。

1 實(shí)驗裝置及方法

1.1 煙氣積灰腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)

煙氣積灰腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝在華能洛陽熱電2×350 mW超臨界機(jī)組的2號機(jī)組中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)布置在吸收塔與靜電除塵器之間的煙氣再熱器附近，整個系統(tǒng)包括換熱模塊、循環(huán)水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。換熱模塊水平放置于煙道內(nèi)部，由3排共9根換熱基管構(gòu)成，管排方式采用與實(shí)際換熱管相同的錯排布置，換熱模塊的進(jìn)水口通過進(jìn)水子管與進(jìn)水母管連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括水溫傳感器、煙溫傳感器、流量計，分別測量換熱管的進(jìn)出口水溫和煙氣溫度、循環(huán)水流量和煙氣流量。傳感器經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)記錄儀連接，數(shù)據(jù)記錄儀與負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)連接。

1.2 換熱表面分析方法

換熱模塊表面積灰與腐蝕會增加換熱模塊的換熱熱阻，降低總傳熱系數(shù)，從而增加消耗、減小利用效率。例如，當(dāng)省煤器換熱管束上存在幾毫米厚的積灰時，總傳熱系數(shù)將降低25%。所以，利用傳熱系數(shù)與污垢熱阻可以定量判斷換熱表面的積灰腐蝕情況，最后判斷每種換熱表面材料的性能。

根據(jù)熱平衡原理，換熱管的換熱量與換熱管內(nèi)冷卻水吸熱量、煙氣的放熱量相等。換熱管換熱量如公式 （1）所示。

式中：Qe為換熱管的換熱量，kW。Qg為煙氣側(cè)換熱量，kW。Qw為水側(cè)換熱量，kW。

煙氣側(cè)換熱量計算如公式（2）所示。

式中：Cp，g為煙氣的比熱容，kJ/（kg·K）。ρg為煙氣密度，kg/m3。v為煙氣風(fēng)速，m/s。s為迎風(fēng)面積，m2。T1為煙氣進(jìn)口溫度，℃。T2為煙氣出口溫度，℃。

水側(cè)換熱量如公式（3）所示。

式中：Cp，w為水的比熱容，kJ/（kg·K）。ρw為水的密度，kg/m3。qw為水的體積流量，m3/s。t1為進(jìn)水口溫度，℃。t2為出水口溫度，℃。

圖1 煙氣積灰腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在總傳熱的計算系數(shù)中，傳熱能力Qave是基于煙氣側(cè)換熱量Qg和水側(cè)換熱量Qw的平均值。傳熱能力Qave如公式（4）所示。

實(shí)驗管的傳熱系數(shù)計算如公式（5）所示。

式中：A0為 總換熱面積，m2。ΔTm為 對數(shù)平均溫差，℃。

對數(shù)平均溫差ΔT如公式（6）所示。

只需要測得煙氣進(jìn)口溫度T1，煙氣出口溫度T2，進(jìn)水口溫度t1和出水口溫度t2，可求出實(shí)驗管積灰前和積灰后的傳熱系數(shù)K。

積灰熱阻Rf如公式（9）所示。

式中：K0為 實(shí)驗管積灰前傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。K為實(shí)驗管積灰后傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

使用傳熱系數(shù)變化率φ的弱化程度來描述污垢對傳熱性能的影響。

傳熱系數(shù)變化率φ如公式（10）所示。

聯(lián)立公式（1）～公式（10）計算該狀態(tài)下實(shí)驗管傳熱系數(shù)和積灰熱阻值。

1.3 實(shí)驗運(yùn)行過程

圖2為煙道內(nèi)換熱模塊排布實(shí)物圖。此次實(shí)驗共布置了5個換熱測試模塊，材料分別為Cr鍍層、TiN鍍層、Ni-P鍍層、ND鋼以及316L鋼。換熱模塊之間并聯(lián)連接，每個換熱模塊在煙道內(nèi)均有獨(dú)立進(jìn)出水口以保證相同的工況。

循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)水管道布置了流量計以測量水流量。圖3為數(shù)據(jù)監(jiān)測部分實(shí)物圖，傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸線與數(shù)據(jù)記錄裝置通道直接連接，流量計采用RS-485通信，再由RS-485轉(zhuǎn)USB接口與計算機(jī)連接，數(shù)據(jù)記錄儀將傳感器部分收集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)將溫度與流量信息與計算完成的熱阻信息在本機(jī)存儲，并通過商用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接，實(shí)現(xiàn)對上位機(jī)的數(shù)據(jù)讀取、存儲，以及對換熱模塊的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。

圖2 換熱模塊排布圖

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

圖4為每個換熱模塊的傳熱系數(shù)監(jiān)測結(jié)果與擬合結(jié)果。由于裝置運(yùn)行初期數(shù)據(jù)波動，數(shù)據(jù)點(diǎn)從1 440 min開始截取，即第一個24 h作為試運(yùn)行階段，第二個24 h作為數(shù)據(jù)正式采集階段。從圖中可以看出，測量的傳熱系數(shù)基本都呈下降趨勢。個別換熱模塊的傳熱系數(shù)呈先下降再上升的趨勢，原因可能是灰垢堆積過多后被煙氣剝落。

計算各材料換熱模塊的傳熱系數(shù)擬合值的均值，316 L為57.96539 W·m-2·K-1；TiN為65.82503W·m-2·K-1；ND鋼為47.64467 W·m-2·K-1；Ni-P鍍層為86.31171 W·m-2·K-1；Cr鍍層為80.4651 W·m-2·K-1。

傳熱系數(shù)值的排序為Ni-P鍍層＞Cr鍍層＞TiN鍍層＞316L＞ND鋼。以燃煤機(jī)組經(jīng)常使用的ND鋼作為基準(zhǔn)，性能最好的Ni-P鍍層傳熱系數(shù)提高了80.1%。

Cr鍍層提高了68.9%；TiN鍍層提高了38.2%；316L提高了21.7%。但是Cr鍍層與TiN鍍層工藝復(fù)雜、制備難度及成本較高。316L成本約為ND鋼的2倍以上，但是性能卻沒有得到提高。綜上所述，選用Ni-P鍍層作為換熱器表面材料為最優(yōu)。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測部分實(shí)物圖

3 結(jié)論

圖4 換熱系數(shù)監(jiān)測結(jié)果圖

由于低溫腐蝕中包括磨損、積灰等多種問題，實(shí)驗室不能充分地反映換熱材料在實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)境中的性能情況的問題，該文提出了1種煙氣積灰腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)，對5種不同表面材料的換熱模塊的性能進(jìn)行了實(shí)驗研究，主要得出以下3個結(jié)論：1）設(shè)計并安裝了基于實(shí)際工況下的煙氣積灰腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)與換熱器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相同，可用于評測換熱表面?zhèn)鳠岷涂狗e灰腐蝕性能。2）對比Cr鍍層、TiN鍍層、Ni-P鍍層、ND鋼、316L鋼的傳熱系數(shù)值，其順序為Ni-P鍍層＞Cr鍍層＞TiN鍍層＞316L＞ND鋼。3）防積灰腐蝕性能最好為Ni-P鍍層，最差為ND鋼，其他鍍層中Cr鍍層工藝復(fù)雜且結(jié)合力較弱；TiN鍍層工藝復(fù)雜、成本較高；316L成本較高，且性能僅較ND鋼有優(yōu)勢。綜上所述，換熱器材料優(yōu)選為工藝簡單且經(jīng)濟(jì)性較好的Ni-P鍍層。