煙氣深度冷卻器延緩及減輕泄漏影響的措施與方法

張洪濤，李吉業，紀程，謝玲，王杏

青島達能環保設備股份有限公司，山東青島，266300

0 引言

煙氣深度冷卻器是利用燃煤機組的排煙余熱進行循環梯級利用的一種低煙溫換熱裝置[1]。目前國內的新建電廠及舊電廠改造都會在煙氣系統中安裝煙氣深度冷卻器，在加熱冷卻循環水的同時，提高電除塵效率，降低引風機功耗，減少脫硫塔水耗，有著良好的經濟效益[2]。

由于煙氣深度冷卻器所處的工作環境惡劣，在運行一段時間之后，煙冷器換熱管的泄漏是一個非常普遍的問題。造成換熱管泄漏的原因有很多，主要有：煙氣含灰量高對換熱管磨損加劇，煙氣流速慢導致換熱器積灰，煙氣流場不均導致磨損，煙氣中含有硫化物導致換熱面腐蝕等等。當煙冷器發生泄漏后，冷卻循環水與煙氣混合會加劇設備的積灰與腐蝕。目前常見的解決辦法是對發生泄漏的管排模塊甚至整個煙氣冷卻器進行隔離，該方法會使煙氣的余熱回收顯著下降，對電廠的整體效率產生明顯的不利影響。

某電廠的1000MW發電機組使用的煙氣深度冷卻器于2022年7月發生了泄漏現象，本文依托該實際問題，對該電廠的煙冷器泄漏原因進行了分析，并據此提出了優化措施與方法，在工程上為煙氣深度冷卻器延緩及減輕泄漏影響提供了設計思路。

1 某電廠煙氣深度冷卻器運行現狀及泄漏原因分析

某電廠的1000MW發電機組在建設之初未安裝煙氣深度冷卻器，該機組煙氣系統在經空預器后分為6個水平煙道進入電除塵設備，煙道布置圖如圖1所示。電廠于2015年7月進行了煙氣余熱利用系統改造，于空預器之后、電除塵器之前安裝了煙氣深度冷卻器，單個煙道煙氣深度冷卻器模塊布置如圖2所示。該煙氣深度冷卻器的換熱管形式為H型翅片管[3]，換熱管材料為ND鋼，管組數量為10個，其中包含5個橫向管組，2個縱向管組。2個縱向管組之間直接相連，沒有設置閥門進行隔離。改造完成后設備平穩運行7年，于2022年7月在最外側煙道的高溫段與低溫段發生了泄漏現象。

圖1 煙道及煙氣深度冷卻器布置圖

圖2 單個煙道煙氣深度冷卻器模塊布置示意圖

在發生泄漏后，由于2個縱向管組之間直接相連，運行時只能將漏水所在管組的2個縱向模塊一并隔離，隔離的模塊占單臺設備換熱模塊的1/5，對設備的換熱效果影響明顯。在對煙氣深度冷卻器的結構及設備現狀進行分析后，可得出以下導致泄漏的原因。

1.1 煙道布置不合理導致磨損

根據現場煙道布置的特點，在經過空預器后，主煙道被分為6個平行煙道，而位于最外側的煙道距離主煙道中心線較遠，煙道長度更長，這會導致進入該煙道的煙氣流速相對較慢。當煙氣流速過慢時，煙冷器更容易積灰，從而進一步導致了煙道內的流場不均，使煙氣易對換熱管造成局部磨損。該煙冷器的高溫段磨損泄漏正是由此導致的，如圖3所示。

圖3 煙氣深度冷卻器高溫段磨損情況

1.2 低溫段煙氣的腐蝕

根據煙氣深度冷卻器泄漏點位置照片（如圖4所示），可以看出泄漏位置位于低溫段管壁與翅片的焊接處，泄漏點的形態為孔狀，是較為典型的腐蝕泄漏。要判斷是否為腐蝕導致的泄漏，首先要對電廠煤質的露點溫度進行計算。該電廠使用煤種的煤質資料如表1所示。

表1 電廠煤質資料

圖4 換熱管泄漏情況

使用應用最廣泛的蘇聯1973年 鍋爐熱力計算標準方法中推薦的公式進行煙氣露點溫度計算[4]，公式為：

在低溫段，煙氣溫度被降至94℃，該溫度已接近煤種的酸露點，導致煙氣具有一定的腐蝕性，且低溫段入口水溫為70℃，換熱管壁溫低于80℃，煙氣中的SOx容易對換熱管壁造成腐蝕。此外，在煙氣深度冷卻器制造時，換熱管與翅片是通過高頻電阻焊的形式組焊而成的，而焊接時會導致管壁熔化變薄，所以焊接位置更容易發生泄漏。

1.3 換熱管壁厚未進行區域化設計

根據上述分析，該煙氣深度冷卻器存在高溫段的磨損與低溫段腐蝕的風險，該項目設計時由于經驗不足，沒有充分識別上述風險點，換熱管壁厚度均按照4mm進行設計，這導致位于易磨損區、易腐蝕區的換熱管使用壽命不足，最后造成了泄漏的發生。

2 煙氣深度冷卻器改造措施與方法

根據上述運行現狀及泄漏原因分析，提出了以下優化措施與方法。

2.1 煙道流場優化

為解決不同煙道流場不均現象，可在內側煙道中安裝多孔板，以此增加內側煙道的煙氣阻力，使更多的煙氣流入最外側煙道中，如此可保證煙氣均勻通過各個煙道。此外可在煙道中增加導流板，將煙氣進行均流，使煙氣均勻通過每臺煙冷器[5]。

2.2 低溫段換熱管材料優化

為解決低溫段煙氣的腐蝕問題，可將低溫段換熱管材質由ND鋼更換為更耐腐蝕的316L、2205等不銹鋼，不銹鋼材料已在煙氣余熱利用系統中得到了成熟的應用[6]，并在含硫化物的煙氣中表現出了優秀的抗腐蝕能力[7]。

2.3 換熱管壁厚區域化設計

針對煙冷設備不同區域的泄漏原因，應對換熱管壁厚進行區域化設計：將易磨損區與易腐蝕區換熱管壁厚增加為5mm以上，其余部分壁厚仍維持4mm。壁厚的增加僅會使設備總重增加3.5%左右，并不會影響換熱效率，而設備的使用年限則可得到明顯的延長且投資成本增加相對較少。

2.4 換熱模塊細化

在發生泄漏后，需對泄漏模塊進行隔離，由于當前單個換熱模塊的換熱面積占比大，對整體換熱效果的影響較大。針對此問題，新方案可通過增加閥門對設備進行模塊細分，增加獨立模塊的數量。由此本文提出了3種方案，每種方案的布置形式詳見圖5至圖7。此外，為進一步闡述換熱模塊細化的收益，對新舊方案的單個模塊對整體換熱影響進行對比計算。該機組煙氣流經煙氣深度冷卻器時的單位時間放熱量為Q=1.27×108kJ/h，原設備設計最大單位時間換熱量為Qh=1.42×108kJ/h，設計裕量的計算式為：

圖5 單個煙道煙冷器模塊布置示意圖（方案1）

代入數據后可得原設計裕量為11.8%。新舊方案的優缺點定性分析以及單個模塊被隔離后的剩余換熱裕量詳見表2，具體工程項目中可根據電廠的實際情況進行選擇。

圖6 單個煙道煙冷器模塊布置示意圖（方案2）

圖7 單個煙道煙冷器模塊布置示意圖（方案3）

表2 各方案優缺點對比

3 結論

通過對某電廠煙氣深度冷卻器項目為背景，分析了該電廠煙氣深度冷卻器發生泄漏的原因，并據此提出了延緩及減輕泄漏影響的措施與方法，具體結論如下：（1）該電廠煙氣深度冷卻器的泄漏主要由煙道布置不合理、高溫段管壁磨損、低溫段煙氣腐蝕、換熱管壁厚未進行區域化設計等原因導致的。（2）煙氣深度冷卻器可通過在煙道中增加多孔板與導流板、低溫段換熱管采用316L、2205等不銹鋼、對換熱管壁厚進行區域化設計等措施延長設備的使用壽命。（3）通過增加閥門來增加煙道內的獨立換熱模塊數量，可有效地減少泄漏后模塊隔離對換熱效果造成的影響。

上述措施與方法對實際工程中煙氣深度冷卻器的結構設計提供了設計思路。