零泄漏高效熱管取熱器技術研究

摘要：零泄漏高效熱管取熱器主要應用于電力、熱力和燃氣等行業，屬于資源節約與環保技術。為徹底解決除塵器前傳統的LGGH（低低溫煙氣換熱器）取熱器存在的磨損泄漏、煙風道堵塞等技術難題，提出一種零泄漏高效熱管取熱器技術，主要是在除塵器前的煙道內安裝一套基于軸向重力熱管技術原理的零泄漏高效熱管取熱器，并融合智慧環保技術，提高煙氣余熱利用率，實現粉塵穩定排放前提下的電除塵能耗最小化運行。

關鍵詞：燃煤電廠；零泄漏；熱管取熱器；智慧環保

中圖分類號：TK172" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.019

0" " 引言

低低溫電除塵器主要利用前端的LGGH（低低溫煙氣換熱器）取熱器或低溫省煤器實現電除塵器入口煙溫的降低，從而能夠減少電除塵器的煙氣處理量，增加煙氣停留時間，降低粉塵比電阻，顯著提高煙塵的脫除效率[1]。全國電廠在前幾年超低排放改造期間紛紛增設了LGGH取熱器或低溫省煤器，其中LGGH取熱器或低溫省煤器均為管殼式換熱器，經過多年運行后，原有管殼式取熱器逐漸出現局部堵塞、磨損和泄漏現象，造成部分換熱管組無法投入運行，部分換熱器面臨嚴重磨損泄漏，嚴重影響其后部除塵器安全運行[2]。隨著大量已服役的傳統取熱器使用壽命將至，如何在滿足LGGH升溫器升溫需求，取得經濟、環境效益的同時顯著提升設備的本體安全成為一項重要課題。

1" " 零泄漏高效熱管取熱器技術

針對傳統LGGH取熱器或低溫省煤器普遍面臨磨損、泄漏，危害低低溫除塵器的問題逐步加劇爆發的背景下，本文提出了一種適用于大中小機組的零泄漏高效真空熱管取熱器，可替代原有傳統管殼式取熱器，并與低低溫電除塵器作為一個組合，實現煙氣余熱回收和煙氣高效除塵。

1.1" " 技術原理

零泄漏高效熱管取熱器是基于軸向重力熱管技術原理，圖1為軸向重力熱管工作原理示意圖，在結構上其分為蒸發段、絕熱段和冷凝段。首先，在熱管的蒸發段，從熱煙氣中吸收熱量后，管內工質受熱相變蒸發，在蒸發段與冷凝段壓差的作用下由蒸發段流向冷凝段，氣態工質在冷凝段遇冷釋放潛熱后又冷凝變為液體，然后在重力的作用下重新返回到蒸發段，于是熱量通過這種循環過程的不斷進行實現了傳遞[3]。

1.2" " 取熱器本體結構

零泄漏高效熱管取熱器由若干重力熱管作為換熱元件組成，如圖2所示，采用三段式設計：1）熱管蒸發吸熱區；2）熱管冷凝放熱區；3）熱管頂端儲氣區。

熱管蒸發吸熱區采用開齒螺旋翅片管的擴展換熱面結構形式，具有換熱效率高、抗積灰能力好的特點。

熱管冷凝放熱區采用蛇形流道的套管式水冷結構，冷卻水流通結構總體采用圓管制作，可滿足承受較高水壓的要求，冷凝段對應的每一根熱管外設水套管，套管之間采用蛇形走水方式，增加了冷凝放熱區冷卻水的水程，提高了換熱效率，與常規的集箱式流通結構相比，該結構可以承受更高的水壓，工況適應性更寬。

熱管頂端儲氣區具有臨時儲存不凝性氣體的功能，并且儲氣區上方設置有可開閉調節的排氣封頭。該儲氣區的設計是確保熱管長久高效運行的一個重要保障手段，用于儲存熱管運行一個長周期之后管內形成的不凝性氣體，可以通過紅外檢測模塊前后進出口溫差（水溫、煙溫）等手段判斷儲氣區內部存儲的不凝性氣體含量，最后利用儲氣區上方可開閉調節的排氣封頭，將管內的不凝性氣體排放至管外，保持管內真空度，使熱管保持高效性。

如圖3所示，零泄漏高效熱管取熱器為適應場地條件，可設計成大模塊或小模塊結構，當采用小模塊結構時，可由2～8排的換熱管排自由靈活組成，從而靈活控制模塊重量以適應現場吊裝能力。

實踐中，由于取熱器所處位置的煙塵濃度相對較大，防磨假管長時間受到煙塵沖刷磨損后將失去防磨作用，使得煙塵直接沖刷換熱管排，最終導致換熱管排逐步失效，煙氣換熱器的換熱性能也逐步下降。然而，傳統的防磨假管采用焊接的安裝方式，當需要更換防磨假管時，只能通過割除舊管、重新焊接新管的方式，這種方式不僅效率低下，維護成本高，而且也容易對下游的換熱管排造成損壞。

零泄漏高效熱管取熱器的防磨假管具有可拆卸功能，當防磨假管組件受到煙氣中粉塵的沖刷磨損后，可以快速拆卸并重新更換，效率高，維護成本低。

1.3" " 零泄漏原理

工作時，每一個零泄漏高效熱管取熱器的冷卻水和煙氣分別從換熱器的上、下部分流通過，熱煙氣和冷卻水之間由絕熱中間隔板和水套管實現雙重物理隔離，組成換熱裝置的每根熱管都是獨立的換熱元件，管內工質也互不相通。在煙氣側，即使個別熱管受煙塵顆粒沖刷磨損后發生泄漏，也僅有該根熱管內部的少量工質會泄漏進入煙道，然后被熱煙氣快速蒸發，而冷卻水與煙氣仍然處于隔離狀態，不會泄漏進入煙氣側，從而杜絕了由于不可避免的磨損造成冷卻水泄漏，引發換熱器積灰板結、煙氣流通通道堵塞以及對電除塵器正常運行的不良影響，可以保證機組長周期安全、穩定運行。

2" " 零泄漏高效熱管取熱器配套技術研究

2.1" " 熱管現場封裝技術

本文提出了一種能夠有效保障操作人員安全的熱管現場封裝技術和方法，如圖4所示，包括以下步驟：

S1：基于預灌注試驗和灌注排氣試驗，確定待封裝熱管灌注的基礎參數。

S2：熱管設備組裝完畢后，根據待封裝熱管灌注的參數進行熱管預灌注操作。

S3：根據待封裝熱管灌注的參數，進行熱管灌注操作。

S4：灌注完成后進行排氣操作。

S5：待封裝熱管完成排氣操作后，進行熱管封裝操作。

在熱管灌注前，設置對熱管進行預灌注操作，利用工質在熱管下部蒸發吸熱的過程，降低熱管下部管壁溫度，可完全規避灌注時工質蒸汽在熱管下部快速沸騰將液態工質頂出熱管，造成現場人員遇險及工質溢出的風險，在保護熱管生產質量的基礎上，為操作人員安全提供技術保障。

2.2" " 融合智慧環保技術

零泄漏高效熱管取熱器技術融合了智慧低溫省煤器和智慧電除塵自動控制技術：

其一，應用多目標粒子群優化算法（Multi-

Objective Particle Swarm Optimization，MOPSO）在尋優范圍內初始化多組運行參數組合，連同工況指標置入LSTM網絡進行粉塵預測，后建立運行參數對應的排放目標偏差、電能損耗、調節幅度等綜合評價函數，作為尋優算法評判依據，高效選取高適應度的解不斷迭代升級，得到安全、節能最佳策略。

其二，基于設備換熱機理，以水比熱、傳熱溫差、熱阻值、凈流速等特性指標為依據構建換熱公式，實時推算出理論和實際換熱系數?；诤Ａ窟\行數據的換熱特性挖掘，是以同負荷、同進口煙溫、同冷卻水量下熱管換熱器的出口煙溫、水溫隨時間推移的數值變化來定性分析。若比對時序數據下的出口煙溫提高超過10 ℃，或出口水溫下降超過10 ℃，可判斷換熱效率下降。

其三，通過三維建模工具實現真空熱管、除塵設備的虛擬化創建、信息呈現、透視旋轉等一系列操作，形成更加直觀的設備狀態感知。支持2D實時數據監測顯示，實現了低省設備運行狀態監測，基于設備工藝流程圖查看實時數據和歷史曲線，可以滿足運行人員日常監測要求，實現狀態檢修和精準運維。

3" " 工程應用

3.1" " 改造方案

江蘇某電廠660 MW機組于2015年超低排放改造時新建LGGH裝置，其中LGGH降溫器經過多年運行，換熱管組經常發生磨損泄漏，造成降溫器煙道積灰堵塞，泄漏嚴重時還會造成除塵器倉泵積水堵塞，給機組安全經濟運行帶來了嚴重的安全隱患。鑒于上述情況，電廠在2023年將原LGGH降溫器全部拆除，更換為零泄漏高效熱管取熱器，取熱器的布置位置與原LGGH降溫器相同，布置于電除塵器前水平煙道。降溫器沿煙氣方向分前后兩組換熱器，每組換熱器在垂直方向設置5個換熱分區，每個煙道共有10個換熱分區。此外，本項目采用智慧低省和智慧電除塵自動控制技術，對零泄漏高效熱管取熱器和低低溫電除塵器進行監測與控制。

零泄漏高效熱管取熱器設計參數如表1所示。

3.2" " 運行效果

該電廠#4機組零泄漏高效熱管取熱器自2023年11月竣工驗收投運至今，運行效果良好。2024年1月，第三方測試單位對該項目進行性能考核試驗，在100%負荷率工況下，試驗測試結果如下：

1）煙氣溫度：100%負荷率工況，試驗測得取熱器入口平均煙溫為113 ℃，出口平均煙溫為93 ℃，修正曲線修正后取熱器出口煙溫為101 ℃，滿足性能保證值要求。

2）系統壓力損失：100%負荷率工況，取熱器壓力損失為485 Pa，滿足保證值要求。

此外，根據運行人員的不完全統計，智慧除塵系統未投運時，電除塵器耗電率約為0.189 3%，智慧除塵系統投運后，除塵器耗電率約為0.138 6%。經計算，得出智慧除塵系統投運后電除塵器的節電率為26.78%，超過技術協議節電率20%以上的指標要求。

4" " 總結及展望

本文所述零泄漏高效熱管取熱器技術具有以下主要特征和優勢：

1）具有雙重物理隔離效果，可確保冷卻水不會泄漏進入煙氣側，徹底解決了傳統LGGH取熱器或低溫省煤器冷卻水泄漏后造成的積灰堵塞等問題。

2）抗積灰能力好、換熱效率高，并且可以在線排出熱管內的不凝性氣體，使用壽命長。

3）場地適應性好，可以根據場地條件設計成大模塊或小模塊。

4）防磨假管可以快速拆卸并重新更換，效率高，維護成本低。

5）熱管現場封裝技術在保護熱管生產質量的基礎上，可為操作人員安全提供技術保障。

6）融合智慧低省和智慧電除塵自動控制技術，提高了煙氣余熱利用率，實現了粉塵穩定排放前提下的電除塵能耗最小化運行。

零泄漏高效熱管取熱器技術可以徹底解決傳統LGGH取熱器或低溫省煤器冷卻水泄漏后造成的積灰堵塞等問題，并且融合智慧環保技術后，可提升設備運維效率，實現節能環保，具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1] 廖增安.燃煤電廠余熱利用低低溫電除塵技術研究與開發[J].環境保護與循環經濟，2013，33（10）：39-44.

[2] 謝慶亮，謝山樣，王正陽.燃煤電廠常規低溫省煤器與熱管低溫省煤器綜合對比[J].中國環保產業，2022（11）：15-18.

[3] 段宏波.基于重力熱管技術的低溫省煤器應用研究[J].節能與環保，2021（7）：105-107.

收稿日期：2024-07-15

作者簡介：俞忠勇（1969—），男，浙江海寧人，高級技師，從事電廠熱能與動力工程工作。