基于重力熱管技術的低溫省煤器應用研究

文_段宏波 國家電投集團江西電力有限公司

1 重力熱管低溫省煤器技術

熱管作為一種高效換熱元件，在工業領域已得到廣泛應用?；跓峁芗夹g的低溫省煤器從原理上與傳統低溫省煤器有著明顯的區別，從結構設計上能夠有效防止冷卻介質的泄漏。重力熱管沒有吸液芯，是一種能夠使冷凝液體依靠自身重力作用回流到蒸發段的熱管，具有結構簡單、制造方便、成本低、耐用、傳熱特性優良、工作安全、易于維修等優點。因此本文主要圍繞重力熱管在大型燃煤機組應用展開分析。

1.1 重力熱管工作原理

圖1為重力熱管工作原理示意圖，它是內部在抽除其中不凝性氣體，并充以某種工作液體后封閉而成。首先，重力熱管的蒸發段在從高溫介質（如熱煙氣）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相變潛熱后又冷凝為液體，在重力的作用下又返回到熱管的蒸發段。熱量就是通過這種循環過程的不斷進行而實現傳遞的，由于重力熱管元件內部的工質在換熱過程中發生了相變，從而可以傳遞較大的熱量，同時重力熱管內部熱阻相當小，所以其元件能在較小的溫差下獲得很好的傳熱效果。

圖1 重力熱管換熱示意圖

1.2 重力熱管防泄漏結構

圖2所示為重力熱管低溫省煤器的基本結構示意圖。煙氣和冷凝段冷卻水集箱之間由絕熱段的隔板分隔，煙氣于絕熱隔板下方流通，冷卻水于絕熱隔板上方流通，隔板采用特制的管板結構以保證整個換熱模塊全密封，冷卻水側每根套管設置套管組件進行獨立隔離，套管與絕熱段隔板互不相通，可實現雙重物理隔離。由于每根重力熱管管內工質互不相通，假設圖2中A點發生穿孔泄漏，只會造成該重力熱管內部少量工質泄漏，對機組運行無影響，與此同時少量重力熱管的失效對整個設備的換熱效果影響不大。此外，重力熱管低溫省煤器可以根據不同煙氣參數調整冷熱兩側的傳熱面積，避免了由于壁溫過低導致的腐蝕問題，且該結構易于維修保養。

圖2 熱管低溫省煤器結構示意圖

2 項目方案設計及分析

2.1 項目現狀分析

江西某660MW超超臨界燃煤發電機組于2015年鍋爐完成余熱利用及提效改造，在除塵器前加設了常規管殼式低溫省煤器，進行煙氣余熱回收利用，同時降低除塵器入口煙溫至95℃左右以提高電除塵器效率。低溫省煤器運行幾年后，換熱管存在較為嚴重的磨損及泄漏問題，影響了機組安全運行。經過多次的科學論證，最終確定采用重力熱管式低溫省煤器技術進行升級改造，以有效解決目前該電廠存在的問題，實現穩定的低低溫煙氣處理條件，在保證換熱器使用壽命的同時達到進一步節能減排的目的。

2.2 改造方案設計

改造基于現有低溫省煤器的基礎和平臺進行設計，需對原有低溫省煤器拆除，再進行適應性改造布置重力熱管低溫省煤器。重力熱管低溫省煤器的換熱管采用鉛垂、順列布置，水側逆流進入換熱器本體。通過對滿負荷工況的熱力計算，重力熱管低溫省煤器進口凝結水水量為1480t/h時，滿足煙氣從145℃降至95℃的降溫要求。表1所示為重力熱管低溫省煤器設計性能參數。

表1 重力熱管低溫省煤器設計性能參數表

重力熱管低溫省煤器水側與原低加系統采用全流通串聯換熱工藝，即從低加管路上引出機組全部凝結水，并分別接進電除塵前4臺重力熱管低溫省煤器，經重力熱管低溫省煤器加熱的凝結水再返回到低加管路上。

2.3 技術保障措施

2.3.1 防磨損技術保障措施

采用CFD仿真對煙道和換熱器進行模擬計算，優化結構設計，保證煙氣進、出口端和受熱面煙氣流場均勻。同時應用流線型煙風道技術，有效解決氣流分布不均問題，有效減少煙氣阻力，避免局部磨損嚴重的發生。

在重力熱管低溫省煤器容易造成磨損的特定部位，如換熱器前、后若干換熱管排采用加厚管壁的換熱管，使其具有較強的耐磨特性。

在換熱管排的前端設置可拆卸式防磨假管，減輕飛灰顆粒對前端重力熱管排的沖擊，可以有效保證前端重力熱管使用壽命。

2.3.2 防積灰及腐蝕技術保障措施

通過重力熱管低溫省煤器管束設計，保證煙氣流速在合理范圍，使煙氣流對換熱面保持適度的沖刷，可實現一定的自清潔作用。

煙氣側采用抗積灰性能優異的開齒翅片管，增強煙氣的擾流作用，進一步加強了其抗積灰能力。

采用劃小區域多點布置方式，設置聲波吹灰器。聲波吹灰器利用壓縮空氣動能轉化為聲波能量，使管上積灰產生松動，相比于蒸汽吹灰，不會出現過熱蒸汽凝結成水，導致粉塵粘附在重力熱管上，造成換熱管的腐蝕、堵塞情況。在聲波的高能量作用下，粉塵不易在熱交換表面產生沉積，可有效阻止結垢。

配置臨時水沖洗裝置，停機檢修時可輔以水沖洗，實現徹底清潔。

3 項目應用效果分析

3.1 項目應用效果

首先根據項目總體要求和設計參數對該項目重力熱管低溫省煤器進行設計和現場布置，圖3所示為低溫省煤器模塊安裝布置圖。單個煙道低溫省煤器沿煙氣方向分成前、后兩個換熱區，兩個換熱區之間留有檢修空間，每個換熱模塊獨立布置，均能夠單獨抽出，實現了單獨的模塊檢修、更換處理功能。

圖3 重力熱管低溫省煤器模塊安裝布置圖

在機組滿負荷條件下4個煙道進出口溫度隨時間變化，每個測溫點間隔時間為5min。4個煙道重力熱管低溫省煤器進口煙氣溫度值在機組滿負荷運行時為120～130℃，出口煙溫為86～93℃。受外部環境較低（冬季）及機組剛經歷大修的影響，入口煙溫還未達到設計煙溫。盡管目前換熱器還有較大的設計余量，但為了防止降溫幅度過大導致換熱器及下游設備的低溫腐蝕，出口煙溫控制在此范圍沒有進一步降低。

在機組不同負荷條件下，4個煙道進出口壓差隨負荷增大而增加，在滿負荷下小于400Pa滿足設計要求。

3.2 經濟性分析

為更好地分析研究該新型重力熱管低溫省煤器的經濟性，對660MW設計工況進行經濟性計算分析。

3.2.1 重力熱管低溫省煤器回收熱量

式中Vg—實測煙氣流量，m3/h；ρg—煙氣密度，取0.860kg/m3；Cρg—煙氣比熱，取1.021kJ/(kg·℃)；t1為重力熱管低溫省煤器進口溫度，℃；t2為重力熱管低溫省煤器出口煙氣溫度，℃；φ為設備保熱系數，取0.95；Q為重力熱管低溫省煤器回收熱量，kW。

機組在660MW工況下，將表1數據帶入公式（1），計算回收煙氣熱量Q=40249kW。

3.2.2 節煤量

根據設計參數，經等效焓降法計算，設計工況下熱管低溫省煤器可降低標準煤耗量約1.75g/kWh。如前實際運行工況可知，冬季實際運行工況煙溫偏低，受限于換熱設備自身和下游其他設備的安全，雖然還有很大的設計余量，但沒有進一步降低出口煙溫，因此對節能效果造成了影響。以現有的煙溫情況計算重力熱管低溫省煤器全年平均減少標準煤量約1.31g/kWh，換算到年節煤量（按設備有效年運行小時數4500h）為3891t。按照每噸標準煤780元計算，可產生效益303.5萬元/a。

3.2.3 節電量

由于重力熱管低溫省煤器替換了原堵塞嚴重的低溫省煤器，以及對煙道進行流線型改造，滿負荷煙氣阻力大約降低1000Pa，降低引風機能耗1175kW。按電價0.3元/kWh，設備有效年運行小時數4500h計算，節約風機電費158.6萬元/a。

按照機組1年有效運行時間4500h，不計檢修維護費用，重力熱管低溫省煤器共計可節462.1萬元。

4 結語

對比傳統低溫省煤器，重力熱管低溫省煤器在有效防止冷卻水泄漏方面有著明顯的優勢。在提高機組運行經濟性的同時，保證燃煤機組穩定高效運行，且大大增加了低溫省煤器的使用壽命。重力熱管式低溫省煤器在660MW燃煤機組的成功應用，標志著該技術應用于大型燃煤機組安全有效，為傳統低溫省煤器的升級改造提供有益借鑒。