煙氣深度冷卻器磨損及防控措施的研究與分析

宋修奇，張洪濤，李蜀生，張光榮，傅吉收，李吉業(yè)，高 旭

(青島達能環(huán)保設備股份有限公司，青島 266300)

0 引 言

2019年底全國全口徑發(fā)電裝機容量20.1億kW，火電裝機容量11.9億kW占59.2%[1]；我國現(xiàn)役火電機組的排煙溫度普遍在110～160℃之間，鍋爐排煙熱損失約占鍋爐總熱損失的60%～70%。鍋爐排煙溫度因煤質變化、換熱面積灰、破損等原因會逐漸升高，不僅造成了火力發(fā)電機組煤耗增加，同時也會降低除塵器效率，增加脫硫塔耗水量等眾多問題[2]。

2012年，國務院同意發(fā)展改革委會同有關部門制定的《節(jié)能減排綜合性工作方案》，其中的主要目標為“到2010年，萬元國內生產(chǎn)總值能耗由2005年的1．22噸標準煤下降到1噸標準煤以下，降低20%左右；單位工業(yè)增加值用水量降低30%。”2014年三部委聯(lián)合發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造積灰(2014～2020年)》，其中要求“東部十一省新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物濃度達到燃氣輪機組排放限值(超低排放，粉塵5 mg)”，隨之國家對超低排放要求進一步提高，火力發(fā)電除塵技術要求進一步提高，煙氣深度冷卻器將電除塵器入口煙溫降低至酸露點溫度90℃左右，使煙氣中大部分SO3冷凝形成硫酸霧，被粉塵粘附、包覆后被堿性物質中和，粉塵比電阻下降，從而大大提高了電除塵器效率[3-4]。

煙氣深度冷卻器簡稱煙冷器，也可叫做低溫省煤器，是實現(xiàn)燃煤機組節(jié)能減排和超低排放的關鍵技術，此產(chǎn)品在火力發(fā)電廠得到大力推廣應用并成為不可或缺的重要設備。但因其所處的惡劣環(huán)境，在實際運行極易發(fā)生磨損泄露、低溫腐蝕或積灰，低溫腐蝕可通過選用耐腐蝕材料，積灰可通過吹灰器等方式緩解或解決，但磨損泄露會給設備的安全運行帶來極大影響，因此本文針對煙氣流場模擬及實際應用中易發(fā)生的磨損區(qū)域進行原因分析，并提出相應的防控措施。

1 磨損的機理及原因分析

我國火力發(fā)電廠主要燃料為煤，煤粉燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有大量飛灰顆粒，煙氣流經(jīng)換熱面時，灰顆粒與換熱面發(fā)生碰撞摩擦，使換熱面管壁逐漸減薄，這是飛灰顆粒對換熱面發(fā)生磨損的過程[4]。

煙冷器受工作環(huán)境、工作條件等限制影響，煙冷器在實際運用中極易發(fā)生貼壁磨損、局部煙氣流速過快產(chǎn)生的磨損，以及局部形式的煙氣走廊等磨損。現(xiàn)針對上述幾種常見的磨損進行原因分析以便準確的找出應對措施，減輕換熱面的磨損。

1.1 貼壁磨損

煙氣中含有大量飛灰顆粒物，因煙道截面不均勻，受離心力和慣性力作用，使煙冷器換熱面磨損不均勻，長期的沖刷會造成局部換熱管模式泄露。如圖1是煙冷器局部磨損實物圖。

經(jīng)煙氣流場模擬分析得，引起上述磨損的主要原因是貼壁磨損。數(shù)值模擬詳見圖2，貼壁磨損具體分析見表1。

表1 貼壁磨損分析

1.2 煙氣流速磨損

已有的研究結果表明，鍋爐尾部換熱面的磨損與煙氣流速的n次方成正比(2.3

1.3 煙氣走廊磨損

煙冷器在設計時，為保證安裝誤差翅片與支撐板之間，以及模塊之間都需要留有一定的間隙，此外為了保證安裝誤差，煙冷器現(xiàn)場安裝時也需要與煙道之間留有一定的間隙，該間隙就是所謂的煙氣走廊。在煙氣走廊中的氣流因阻力較小，故煙氣走廊中煙氣流速會很大，此外煙氣走廊中煙氣流速會逐漸增大且與橫向流動有關，而橫向流動的速度與換熱管管束和煙氣走廊的結構等有關[7]。

煙冷器煙氣走廊一般是由于加工制造水平和現(xiàn)場安裝誤差兩種情況造成的。現(xiàn)煙冷器換熱管90%以上為翅片管，由于機組大小的不同換熱管長度不一，為了保證設備的穩(wěn)定性管排之間需要設置數(shù)量不等的支撐板，為了保證翅片與支撐板安裝不干涉，一般都會在支撐板與翅片之間留有一定的安裝間隙；現(xiàn)煙冷器基本為模塊供貨，為保證模塊現(xiàn)場安裝不干涉，兩模塊之間也會留有一定的安裝間隙，上述是由于加工制造水平導致的煙氣走廊。煙冷器現(xiàn)場安裝完成后，需要在設備外部焊接封殼與原道進行連接、封閉，防止煙氣泄露，由于現(xiàn)場安裝空間限制，一般會在設備與封殼之間留有一定的安裝間隙，如果現(xiàn)場不能把此安裝間隙封堵也會形成煙氣走廊。圖5和圖6是煙氣走廊的煙氣流場模擬圖和換熱器磨損圖。

2 防控措施

2.1 煙氣流場整體優(yōu)化

煙冷器一般布置在空預器出口至除塵器前的入口煙道內，各處各個方向煙氣流場不均各不相同，需要進行加權整體處理，設置煙氣流場不均累積系數(shù)。根據(jù)煙氣流場不均累計系數(shù)對換熱器入口均流板進行優(yōu)化設計，對煙氣流場的進行調控均勻化；通過上述優(yōu)化后煙冷器的磨損、積灰情況會大大降低。以下為不同項目，因均流措施設置的不同等原因，導致煙氣流場不均累計系數(shù)相差較大，煙冷器投運一年后的磨損情況也差別較大；通過煙氣流場優(yōu)化后，流場不均累計系數(shù)為17.6的項目，煙冷器運行一年后無明顯磨損積灰，未進行煙氣流場優(yōu)化，流場不均累計系數(shù)為196.4的項目，設備投運一年后出現(xiàn)了積灰、磨損泄露等嚴重問題。

2.2 產(chǎn)品結構防控措施

改造工程中，存在煙氣流場不均累計系數(shù)超標現(xiàn)象，受經(jīng)濟性限制又無法對整個空間進行大改造，可對產(chǎn)品局部進行防控：①增大導流板末端與換熱面之間距離；②翅片沿煙氣流動方向交錯排布，如圖9所示；③導流板末端及煙道壁增加鈍體均流煙氣，如圖10所示；④提高加工制造水平和現(xiàn)場安裝誤差防止煙氣走廊的形成。這些防控措施經(jīng)實踐檢驗對煙冷器的貼壁磨損、煙氣流速磨損及煙氣走廊磨損等效果顯著。

2.3 防磨裝置

針對煙氣流場模擬及實際運行中煙氣流速過高、易磨損區(qū)域采取特殊防磨處理，如加裝防磨護瓦等措施，可根據(jù)煙氣中灰分的含量、灰顆粒硬度選擇不同材質的防磨護瓦。表2不同材料的硬度，相同條件下物料硬度與抗磨性成正比。

表2 不同材料的硬度

2.4 其他防控措施

除了上述煙氣流場整體優(yōu)化與產(chǎn)品結構防控措施等措施，也可以通過以下措施減輕換熱器磨損：①降低煙氣流速減輕換熱面磨損；②在煙冷器前加裝光管或翅片管等防磨假管形式，減輕對換熱管的沖刷磨損；③對于易磨損的前部管排采用可折卸、更換的換熱管形式，若換熱管出現(xiàn)磨損泄露方便更換。

3 結束語

(1)分析總結了煙冷器常見的磨損形式，為后續(xù)防控、改進提供一定依據(jù)。

(2)對于換熱器入口煙氣流場模擬提出了煙氣流場不均累積系數(shù)的概念，該概念能夠更真實反應煙冷器入口煙氣流場的情況，可在設計初期預測煙冷器的磨損情況或位置，為以后煙冷器的設計、均流板布置或重點磨損區(qū)域提供重要的依據(jù)。

(3)對于煙氣流場模擬及實際運行中易磨損區(qū)域提出了一系列的防控措施，針對容易出現(xiàn)的貼壁磨損、局部煙氣流速過快、煙氣走廊等制定了相關的應對措施，措施已運用到實際工程中，防磨效果顯著。