660 MW 燃煤機組熱管低溫省煤器的應用分析

摘要：相比于傳統的間壁式低溫省煤器，基于重力熱管技術的低溫省煤器能有效防止冷卻水泄漏到煙氣中，徹底解決因泄漏造成煙道積灰堵塞的問題。首先，通過對徑向重力熱管低溫省煤器和軸向重力熱管低溫省煤器進行對比分析，得出軸向重力熱管低溫省煤器更適合大型項目的結果；其次，以某燃煤電廠660MW 燃煤發電機組為例，對機組配套的熱管低溫省煤器設計方案進行闡述，并分析關鍵的設計問題和注意事項；最后，對熱管低溫省煤器的運行維護方式進行探討。以期為新建機組或升級改造項目配套熱管低溫省煤器的設計和運行維護提供有益借鑒。

關鍵詞：燃煤電廠；重力熱管；低溫省煤器；設計應用；運行維護

在電除塵器前端煙道設置低溫省煤器，通過從汽機低加管道引凝結水至低溫省煤器，與高溫煙氣進行熱量交換，將電除塵器入口煙溫降至90～110 ℃的低低溫狀態，既能實現排煙余熱的有效回收利用，又可提升電除塵的效率[1-3]。根據我國的節能環保政策，在現階段乃至未來相當長的一段時間內，低溫省煤器技術均具有重要的推廣應用價值。

據不完全統計，傳統的間壁式低溫省煤器有50% 以上投運不足3 a 就出現了冷卻水泄漏情況[4]，造成煙風道堵塞和電除塵器積灰板結，其主要原因是電除塵器前粉塵濃度高、煙氣流速快，使得低溫省煤器的換熱元件長期受粉塵沖刷磨損，從而導致泄漏。在此背景下，基于重力熱管技術的低溫省煤器應運而生，其獨特的原理和結構特征，不僅能夠有效防止冷卻水泄漏到煙氣中，還能確保低溫省煤器和電除塵器安全高效運行。

1 重力熱管技術

目前，基于重力熱管技術的低溫省煤器主要有2 種結構，一種是徑向重力熱管，一種是軸向重力熱管，兩者各有其優缺點，可根據不同項目的情況和特點進行選擇。

1.1 徑向重力熱管工作原理

徑向重力熱管結構如圖1 所示，其結構為大管套小管，由內管、外管和翅片3 部分組成。徑向重力熱管的內管和外管之間填充有換熱工質，管的兩端通過封頭焊接，使內管和外管之間形成密閉空間，且內管為冷卻水通道。當熱煙氣流過外管時，將熱量傳遞給內管和外管之間的換熱工質；工質吸熱后氣化，將熱量傳遞給內管內的冷卻水；待釋放熱量后，工質重新冷凝成液態，如此反復的吸熱和放熱，從而完成熱量的傳遞[5]。

1.2 軸向重力熱管工作原理

軸向重力熱管工作原理如圖2 所示，其在結構上分為3 段，從上至下依次為冷凝段、絕熱段和蒸發段。工作時，軸向重力熱管的蒸發段從熱煙氣吸收熱量，管內工質受熱后相變氣化；氣態工質在蒸發段與冷凝段的壓差作用下，由蒸發段上升至冷凝段，并將熱量傳遞給冷卻水；釋放潛熱后，工質又冷凝為液態，并在重力作用下重新流回蒸發段，如此不斷循環，從而實現熱量的傳遞[6]。

1.3 徑向重力熱管低溫省煤器與軸向重力熱管低溫省煤器對比

徑向重力熱管低溫省煤器與軸向重力熱管低溫省煤器的對比情況如表1 所示。

徑向重力熱管低溫省煤器占地面積小、傳熱功率大、等溫性好。但其熱管長度受熱應力限制，換熱器尺寸較小，只適用于煙道尺寸較小的小型機組項目；同時，冷卻水通道處于煙道內部，在粉塵濃度較高的環境下，內外管可能會被沖刷磨損，導致冷卻水泄漏至煙道內。

軸向重力熱管低溫省煤器占地面積大、傳熱功率小、不凝性氣體易在端部聚集，使得等溫性受到影響。但其熱管長度受熱應力影響小，換熱器尺寸可大可小，非常適用于煙道尺寸大的大型機組項目；同時，冷卻水在煙道外部，不易泄漏至煙道內，且蒸發段受粉塵沖刷磨損后，造成的影響也非常小，能夠適用于高粉塵濃度的環境。

2 案例項目概況與設計方案

2.1 項目概況

案例項目為某燃煤電廠擴建項目，需擴建2 臺660 MW 超超臨界一次再熱燃煤發電機組，同步建設脫硫、脫硝裝置。為提高機組經濟性，在電除塵器前端配套設置熱管低溫省煤器，將電除塵器入口煙溫從114.2 ℃降至90 ℃左右，可在回收排煙余熱的同時有效提高電除塵器效率。

2.2 低溫省煤器采用的熱管形式

案例項目的大型燃煤發電機組為新建機組，低溫省煤器區域的場地規劃充足，設計煤種的電除塵器進口粉塵濃度為18.91 g/Nm3，因此低溫省煤器不適合采用徑向熱管形式，應當采用軸向熱管形式。

2.3 軸向熱管低溫省煤器的關鍵設計方案

2.3.1 攜帶極限計算

軸向熱管中，換熱工質在蒸發段吸熱后變成蒸汽向上運動，而冷凝后的液態工質向下回流，兩者運動方向相反。但高速的蒸汽會攜帶部分回流的液態工質重新回到冷凝段，當其攜帶的液態工質達到一定量時，返回蒸發段的液態工質無法滿足蒸發段的換熱需求，便會導致蒸發段干涸，影響換熱[7]。因此，在熱管低溫省煤器設計中，攜帶極限計算是極為關鍵的一個步驟，要求計算傳熱量＜攜帶極限，且留有足夠余量，一般對煙氣方向的首排管和末排管進行攜帶極限計算即可滿足要求。

根據案例項目的設計參數，按照初步選定的管徑φ 42 mm 進行熱力計算，首排管和末排管的計算傳熱量分別為3.66 kW 和4.87 kW，攜帶極限分別為9.26 kW 和6.25 kW，攜帶極限的余量分別為60.5% 和22.1%，因此管徑選擇合適。

2.3.2 充液率

換熱工質充液率對換熱器的性能有顯著影響。如果充液率過低，會導致蒸發段干涸，使得蒸發段管內壁面無液膜覆蓋，從而引起壁面溫度升高，管壁傳熱性能下降；如果充液率過高，不僅會引起不穩定傳熱，還會影響傳熱效果。根據程偉良等[8] 的研究成果可知，當充液率為30%～50% 時，熱管工作性能最佳。考慮案例項目后續排氣時的工質損失，充液率按35% 選型。

2.3.3 管壁溫度計算及材質選擇

案例項目設計煤種和校核煤種的酸露點分別為99 ℃和129 ℃，為了防止酸露點腐蝕，需確保熱管的管壁溫度高于酸露點，或采用有限腐蝕法進行熱管材質的選擇。

熱管換熱器的煙氣和冷卻水采用逆流換熱方式，其最低管壁溫度出現在煙氣方向的末排熱管，因此只要保證末排熱管的管壁溫度高于酸露點，就能最大程度地避免腐蝕侵害。經計算，案例項目末排熱管的管壁溫度為60 ℃，遠遠低于酸露點，存在較大腐蝕風險。因此，利用熱管管壁溫度可調的特點，通過縮短后3排熱管的冷凝段長度，將末排熱管的管壁溫度提高至75 ℃。

經技術經濟性分析，對于管壁溫度低于85 ℃的低溫段，熱管宜采用316 L 材質，耐腐蝕性能強；對于管壁溫度高于85 ℃的高溫段，熱管宜采用ND 鋼材質，如ND 鋼換熱管的腐蝕速率按0.1 mm/a、腐蝕量按2 mm 考慮，則換熱元件的壽命將在20 a 以上。

2.3.4 防積灰技術措施

案例項目中熱管低溫省煤器的換熱元件為垂直布置，如蒸發段采用常規H 型翅片或螺旋翅片則抗積灰效果較差，因此蒸發段采用開齒翅片管，增強煙氣的擾流作用，加強抗積灰能力。同時，通過合理的煙氣流速設計，使煙氣流對換熱面保持適度沖刷，從而實現一定的自清潔作用。另外，為進一步防止換熱面積灰，給每臺低溫省煤器配置2 臺聲波吹灰器和2 臺蒸汽吹灰器進行清灰，并通過邏輯控制使吹灰器根據煙氣阻力改變吹灰頻率。

2.3.5 不凝性氣體處理措施

案例項目采取了2 項措施，解決軸向重力熱管產生的不凝性氣體在頂部聚集的問題。一是在熱管頂部預留一定長度的儲氣室，用于儲存不凝性氣體；二是在熱管頂部設置排氣裝置，當不凝性氣體達到一定量時進行排氣操作，從而將不凝性氣體排出管外[9]。

3 軸向重力熱管低溫省煤器的運行維護

3.1 解決不凝性氣體影響問題

基于軸向重力熱管低溫省煤器的換熱原理和運行控制方式可知，其運行維護的關鍵問題是不凝性氣體的影響。因此，在軸向重力熱管低溫省煤器的日常運行中，應注重對不凝性氣體的判斷與監控。

3.1.1 判斷方法

當軸向重力熱管低溫省煤器運行一段時間后，在同負荷、同進口煙溫、同冷卻水量的條件下，將此時的熱管換熱器出口煙溫與剛投運時的熱管換熱器出口煙溫進行對比，如果升高了10 ℃以上，則表示熱管換熱器對煙氣的降溫幅度下降了10 ℃以上，即可初步判斷熱管換熱器的部分熱管內部產生了不凝性氣體。

3.1.2 位置監控

為了進一步確定不凝性氣體的具體位置，逐個關閉換熱模塊進出口閥門進行隔離，0.5 h后采用熱成像儀對熱管封頭進行拍攝檢查。如果某根熱管可能存在不凝性氣體，那么其封頭會在熱成像儀中呈現出暗色甚至黑色，采用測溫槍對該熱管封頭進行測溫，如果發現其溫度明顯低于（10 ℃以上）良好熱管，那么便可確定該熱管內部存在不凝性氣體。當確定存在不凝性氣體的熱管后，應進行標記定位，定位好所有存在不凝性氣體的熱管后，按照專業工藝方法進行現場再生操作。

3.2 消除出口煙溫過高影響因素

出口煙溫過高的原因包括換熱面積灰、熱管水側結垢、水側流量偏小、入口煙溫超溫、熱管內存在不凝性氣體等。其中，對于換熱面積灰，可通過增大吹灰頻率來增強清灰效果，必要時可利用機組停爐時間對換熱面進行水沖洗；對于熱管水側結垢，可通過對冷卻水水質的檢查，適當增加排污次數；對于水側流量偏小，可通過調節進口閥門的開度增大水流量；對于入口煙溫超溫，因其屬于燃燒煤種或上游設備的原因，故可通過采取調節煤種或檢查上游設備的措施降低入口煙的溫度；對于熱管內存在不凝性氣體，可通過排氣操作將不凝性氣體排除，從而恢復換熱性能。

3.3 消除煙氣阻力超標影響因素

煙氣阻力超標的原因包括換熱面積灰、煙道有異物、煙氣量超標等。其中，對于換熱面積灰，可通過增大吹灰頻率來增強清灰效果；對于煙道有異物，可利用機組停爐時間進行煙道內部檢查排除異物；對于煙氣量超標，因其一般與燃燒煤種有關，故可通過調整燃燒煤種的方法優化煙氣量。

4 結束語

綜上所述，相較于傳統低溫省煤器，徑向重力熱管低溫省煤器和軸向重力熱管低溫省煤器在解決冷卻水泄漏問題方面均有良好的效果，兩者分別在不同條件下具有一定的適應性。徑向重力熱管受熱應力影響，換熱器尺寸較小且無法做大，仍有一定的冷卻水泄漏風險；軸向重力熱管則無此類問題。因此，對于大型燃煤機組，推薦采用軸向重力熱管低溫省煤器。

但在軸向重力熱管低溫省煤器的實際運行中，應特別注意攜帶極限計算、充液量、管壁溫度計算，以及材質選擇、防積灰、不凝性氣體處理措施等關鍵問題，可通過合理選型及設置，使設備的性能最優；同時，重點關注不凝性氣體的影響，其中設置排氣閥是一種一勞永逸的解決措施，值得大力推廣。此外，還應關注出口煙溫、設備阻力等重要指標，及時分析并排查異常原因。

參考文獻

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作者簡介

蔡澤鋒（1998—），男，漢族，廣東汕頭人，助理工程師，學士，主要從事電廠設備檢修工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-08-12