燃煤鍋爐低溫省煤器防腐抑垢在線監測系統開發

顏廷學 李 偉 鄒明衡 呂昌旗

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

0 引言

我國是一個能源結構以燃煤為主的國家，隨著國民經濟建設的迅速發展，燃煤鍋爐的使用量越來越大。目前我國在用工業鍋爐約62萬臺，其中燃煤工業鍋爐約占工業鍋爐總數的80%以上。其年消耗標準煤約4億t，約占全國煤炭消耗總量的1/4[1]。燃煤產生的大量污染煙氣被直接排放到大氣中，對環境形成了嚴重熱污染，并且煙氣產生的余熱也被浪費。其中一個原因是由于煙氣溫度過低會產生露點腐蝕問題對設備造成損害，限制了燃煤鍋爐的設計排煙溫度[2]；另一個原因是設備在運行過程中，煤炭燃燒產生的煙氣中含有大量的飛灰顆粒、黏性物質和酸性氣體，會導致排煙溫度升高、受熱面腐蝕與結垢問題、引風機負荷大幅增加、經濟成本上漲等對于生產不利的影響[3]。

在常見的防護手段中，高性能涂料作為1種最為經濟有效的防護材料，在防腐耐蝕問題中廣泛應用。而其中化學鍍相比于電鍍，具有成功率高、防腐耐蝕性能強、經濟成本低、工藝流程較為簡單、環保等優點[4]?；瘜W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點，因此其廣泛地應用于機械、電子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力和航空航天等工業部門[6]。

有研究[7]提出了換熱器在線系統的概念，開發了1種用于換熱器的污垢評估的專家系統。為換熱器的設計、除垢效果、安全性等提供評估參考?；诖?，一些學者[8]建立了應用于換熱器的在線監測系統及模型。

現有的換熱表面評測手段較少且多為實驗室模擬測試，不能真實準確地還原現場的實際工況，測試得到的數據難免與現場數據有一定的偏差，得出的結論無法很好地應用于現場環境。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測系統，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提出了建議。

1 實驗裝置及方法

1.1 煙氣積灰腐蝕在線監測系統

煙氣積灰腐蝕在線監測系統安裝在華能洛陽熱電2×350 mW超臨界機組的2號機組中，系統結構圖如圖1所示。該系統布置在吸收塔與靜電除塵器之間的煙氣再熱器附近，整個系統包括換熱模塊、循環水系統、數據采集系統以及數據處理系統。換熱模塊水平放置于煙道內部，由3排共9根換熱基管構成，管排方式采用與實際換熱管相同的錯排布置，換熱模塊的進水口通過進水子管與進水母管連接，數據采集系統包括水溫傳感器、煙溫傳感器、流量計，分別測量換熱管的進出口水溫和煙氣溫度、循環水流量和煙氣流量。傳感器經數據傳輸線與數據記錄儀連接，數據記錄儀與負責數據處理的上位機連接。

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，從而增加消耗、減小利用效率。例如，當省煤器換熱管束上存在幾毫米厚的積灰時，總傳熱系數將降低25%。所以，利用傳熱系數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。

根據熱平衡原理，換熱管的換熱量與換熱管內冷卻水吸熱量、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為煙氣側換熱量，kW。Qw為水側換熱量，kW。

煙氣側換熱量計算如公式（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為煙氣風速，m/s。s為迎風面積，m2。T1為煙氣進口溫度，℃。T2為煙氣出口溫度，℃。

水側換熱量如公式（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為進水口溫度，℃。t2為出水口溫度，℃。

圖1 煙氣積灰腐蝕在線監測系統結構圖

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

實驗管的傳熱系數計算如公式（5）所示。

式中：A0為 總換熱面積，m2。ΔTm為 對數平均溫差，℃。

對數平均溫差ΔT如公式（6）所示。

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

積灰熱阻Rf如公式（9）所示。

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

使用傳熱系數變化率φ的弱化程度來描述污垢對傳熱性能的影響。

傳熱系數變化率φ如公式（10）所示。

聯立公式（1）～公式（10）計算該狀態下實驗管傳熱系數和積灰熱阻值。

1.3 實驗運行過程

圖2為煙道內換熱模塊排布實物圖。此次實驗共布置了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。換熱模塊之間并聯連接，每個換熱模塊在煙道內均有獨立進出水口以保證相同的工況。

循環水系統進水管道布置了流量計以測量水流量。圖3為數據監測部分實物圖，傳感器經過數據傳輸線與數據記錄裝置通道直接連接，流量計采用RS-485通信，再由RS-485轉USB接口與計算機連接，數據記錄儀將傳感器部分收集到的模擬信號轉換成數字信號，并發送到上位機。上位機將溫度與流量信息與計算完成的熱阻信息在本機存儲，并通過商用數據網絡實現與遠程服務器的連接，實現對上位機的數據讀取、存儲，以及對換熱模塊的運行狀態的實時監測。

圖2 換熱模塊排布圖

2 數據結果與分析

圖4為每個換熱模塊的傳熱系數監測結果與擬合結果。由于裝置運行初期數據波動，數據點從1 440 min開始截取，即第一個24 h作為試運行階段，第二個24 h作為數據正式采集階段。從圖中可以看出，測量的傳熱系數基本都呈下降趨勢。個別換熱模塊的傳熱系數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。

傳熱系數值的排序為Ni-P鍍層＞Cr鍍層＞TiN鍍層＞316L＞ND鋼。以燃煤機組經常使用的ND鋼作為基準，性能最好的Ni-P鍍層傳熱系數提高了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。

圖3 數據監測部分實物圖

3 結論

圖4 換熱系數監測結果圖

由于低溫腐蝕中包括磨損、積灰等多種問題，實驗室不能充分地反映換熱材料在實際工程應用環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測系統，對5種不同表面材料的換熱模塊的性能進行了實驗研究，主要得出以下3個結論：1）設計并安裝了基于實際工況下的煙氣積灰腐蝕在線監測系統，該系統與換熱器實際運行環境相同，可用于評測換熱表面傳熱和抗積灰腐蝕性能。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鍍層工藝復雜且結合力較弱；TiN鍍層工藝復雜、成本較高；316L成本較高，且性能僅較ND鋼有優勢。綜上所述，換熱器材料優選為工藝簡單且經濟性較好的Ni-P鍍層。