低溫省煤器在火力發電廠中的優化改造研究

姜艷則

(神木職業技術學院，陜西 榆林 719300)

隨著電力需求的不斷增加，電廠用電設備也在持續改進中，我國承諾在2030年前達到碳達峰，即CO2排放不再增長，在峰值后開始降低；我國承諾的碳中和最終實現CO2零排放。各省份的用煤指標都是在一定范圍內，在煤炭指標一定的情況下，電廠如何能夠產出更多的電，化工企業如何能夠產出蒸汽或者更多的水煤氣，都是亟須解決的課題[1]。以電廠為例，在煤炭指標嚴格控制的情況下，對發電機組的改造是目前多數電廠采用的方法，目前的改造都是增加發電機組的容量，這樣就會出現一個問題，會導致原來的發電機組設備的排放煙氣溫度過高，存在與原始設計不符的情況，這樣帶來的負面影響是，燃煤使用量增加，同時煙氣的溫度過高導致設備的腐蝕幾率增加[2]。

現有某電廠一臺1 000 MW燃煤發電機組，鍋爐是上海鍋爐有限公司設計制造SG-3192/27.46-M550超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，機組空預器出口排煙溫度較高，約130～140 ℃，本機組存在著排煙溫度高的多方面弊端，合理降低鍋爐排煙溫度對提高機組安全性、經濟性起著至關重要的作用，對機組進行余熱利用改造勢在必行。本項目是在節能減排理念指引下，針對該電廠1 000 MW燃煤發電機組排煙溫度高的弊端，研究開發出一種煙氣余熱利用工藝方案，以實現火電廠節能減排，綠色高效生產的目的[3]。該電廠煙氣系統設置有電除塵和石灰石濕法脫硫系統，電除塵的效率對煙氣的溫度比較敏感，煙氣溫度在130～140 ℃這個較高溫度范圍時除塵的效果越差，除塵效率較低；在除塵系統里腐蝕是最常見的一種現象，為了避免長時間對設備的腐蝕，在電除塵系統的出口將煙氣溫度高于120 ℃[4]；濕法脫硫系統中，進入脫硫塔的煙氣溫度過高，會導致脫硫過程中的用水量大幅增加，煙氣含水量增加，煙囪運行工況惡化。且煙氣溫度高使得總煙氣量增大，脫硫效果較差，綜合考慮，為保證脫硫系統的安全性和脫硫率，在實際的運行中，空預器出口排煙溫度最好控制在80～90 ℃。燃煤電廠為了解決這種問題，在最初時選用的方法是直接設置煙氣冷卻器，即在煙道直接噴水進行煙氣冷卻，這種方法浪費大量的水資源，同時效果也不佳，也造成了熱量的浪費；現在的采用的主流技術是余熱回收技術[5]，原理是在煙道中安裝煙氣換熱器，即低溫省煤器，利用凝結水來降低煙氣溫度，這樣既能回收余熱，又能把排煙溫度控制在實際需要的范圍之內，結合我國現有的節能減排政策，現有的技術存在的缺點是，低溫省煤器的安裝是在煙道內，煙道內的煙灰較多，特別容易出現堵灰、積灰情況，在發電機組較多的電廠，低溫省煤器的清理已經成為一種常態作業，給企業帶來了風險和維修成本[6]；如果低溫省煤器沒有及時的清理，會導致換熱器的換熱效率降低，對后續的管線及設備腐蝕大為增加。

1 主要存在的問題

1.1 煙道內飛灰堵塞

在火力發電廠中，低溫省煤器在煙道內布置，煙氣中的飛灰落在低溫省煤器受熱面上，導致換熱效率差，同時導致煙氣流場不穩定，局部的煙氣濃度和流速溫度偏高，對換熱器的腐蝕、磨損有很大影響。

通過查閱資料，實際測算，得出出現以上問題的原因如下：

(1)低溫省煤器導流板的設計和入口流場的設計不合理，導致煙道內存在的煙氣流速偏低，使煙氣中的飛灰沉積在受熱面，導致低溫省煤器的受熱面受熱不均勻。另外低溫省煤器的受熱面進口變徑設計未經過實際反饋數據進行校正，擴口煙道截面積或者角度忽然變大，導致煙氣流速降低或者飛灰沉積[7]。

(2)當煤粉的含灰量過高時，低溫省煤器的低負荷設計中煙氣流速低，煙氣中的飛灰沉積在受熱面的模塊和底部間的通道中；在燃煤含硫量過高時，低溫省煤器的出口及入口設計水溫及煙溫過低，導致煙氣中的SO2和SO3冷凝后析出，造成飛灰的黏性變大，造成受熱面黏灰堵塞，飛灰黏性增加，造成受熱面黏灰沉積后堵塞[8]。

(3)吹灰器的設置位置不合理，受熱面橫縱向距離小，在大翅片、雙翅片結構中，縱向、橫向的積灰容易形成灰墻，螺紋距離或者翅片結距小，導致吹灰黏性大，容易在翅片間空隙堵塞。

1.2 泄漏腐蝕

低溫省煤器的受熱面在長時間的使用中，受熱面變薄，或者受熱面破損，低溫省煤器中集結凝結水或者積灰使煙道堵塞，在煙氣中存有酸性氣如：含硫物質等，會溶解于水中，此因素也加速了換熱器的腐蝕進度，現有低溫省煤器的存在問題是，管道內空間位置局限，對煙氣流場優化較難，導流板的設置存在缺陷，導致煙氣走向不均勻，在局部區域存在渦流、濃度偏高等問題，受熱面磨損嚴重；在現有運行的電廠中低溫省煤器改造技術較為原始，受熱面一般是通過對假管和防磨瓦進行設置，低溫省煤器的封頭和管板存在密封不嚴的情況，形成局部煙氣渦流，對換熱器進行磨損[9]。

2 工程概況

選取本項目基于某電廠1 000 MW燃煤機組排煙溫度高的問題，根據實際生產條件，結合最新環保標準要求，從多角度對適合的煙氣余熱利用技術進行了分析、比較和論證，為該電廠確定煙氣余熱利用改造的技術路線，制定改造方案。通過研究可以降低排煙溫度，從而提高機組運行的環保性、安全性與經濟性[10]。

2.1 材質優化

通過查詢數據得出，露點腐蝕溫度在10～30 ℃，如圖1所示。

圖1 金屬壁面溫度與腐蝕速率和酸沉積率間的關系

由圖1 金屬壁面溫度與腐蝕速率和酸沉積率間的關系可以看出，在低溫省煤器中，煙氣流通過程中，受熱面與煙氣接觸過程中，由于受熱面面壁的溫度較低，在溫度為酸露點以下時，煙氣中的酸性氣凝結在水中，形成酸性霧，酸性霧凝結量積存后形成酸性水，對受熱面及管壁進行腐蝕，在酸性霧剛開始凝結時，凝結液中的酸性物質濃度較低，腐蝕較慢；等凝結水中的酸性物質濃度達到一定程度后，腐蝕速率增加，腐蝕速率到達最大點；當受熱面溫度再降低，則金屬壁溫度會下降，在溫度到達水露點以下時凝結酸變多，對受熱面的腐蝕又升高[11]。從圖1可以看出，在低溫的情況下，對金屬面有腐蝕區，腐蝕較為嚴重的階段是兩個，同時也存在兩個安全區，所以低溫省煤器的溫度要高于受熱面的酸露點溫度，這樣才能既保證低溫省煤器正常工作，又能防止酸對其進行腐蝕。優化設計將此段的材料設為耐腐蝕的ND鋼，在鍋爐啟動瞬間或者低負荷運轉時，保持受熱面溫度高于露點溫度以上。在國內ND鋼是目前耐硫酸低溫露點腐蝕用的最佳鋼材，其抗腐蝕率性能比國外進口同等類鋼材都好。

(1)

2.2 系統優化

降低排煙溫度的余熱利用技術主要有三類系統，分別為低溫省煤器技術、低溫省煤器聯合暖風器的廣義回熱技術和通過煙氣冷卻/再熱提高濕煙氣溫度的MGGH系統。結合該電廠實際情況，鑒于鍋爐設備空間較小，增加暖風器等設備使系統復雜，占用空間增加；同時MGGH系統不具有節能潛力，因此本項目僅采用低溫省煤器技術。在設計低溫省煤器時，對其先進行煙氣入流場實驗，根據流場測試數值對其進行物理模擬和數值模擬，并與實際運行情況進行效果對比，通過對入流場的計算將低溫省煤器的位置布置在最佳方位，入口煙道的長直段盡可能的長，確保受熱面的入口流場穩定。低溫省煤器的入口水溫和出口煙溫的設計，將換熱器的尺寸及個數控制在最少，檢修通道數最少，對低溫省煤器煙氣進出口進行擴口，根據實際運行數據對其進行角度擴口，擴口角度為30°～45°，飛灰沉積速率降低。提高低負荷時低溫省煤器受熱面的流速，選擇吹灰方式和其布置位置，在進口處設置燃煤含灰量檢測裝置，當燃煤含灰量多時，對其進行除灰，外加一除灰裝置或者在線除灰裝置；增加煙氣含硫量檢測裝置，針對燃煤含硫量高的情況，對原管道進行優化改造，保持管道足夠長的直段空間，改變煙氣通過受熱面的方式，采用由上至下的方式；針對脫硝裝置中氨揮發量高的情況，在低溫省煤器的出口增加煙溫檢測裝置，對脫硝裝置進行優化；增加低溫省煤器的在線壓力和溫度監控裝置，和在線空氣壓縮吹掃裝置，可以更好地對煙道內的低溫省煤器進行檢查、維修等[13]。針對冬季寒冷季節，為防止因積水原因引起設備凍堵，增加快速放水裝置，在系統停運期間，將受熱面中的水能夠快速釋放。

2.3 受熱面優化

優化受熱面的結構參數，增加管束的縱向和橫向距離，改用小翅片和單翅片結構，可以將管束間的積灰黏結情況改變，避免形成灰墻的情況，將低溫省煤器布置在除塵器前邊，受熱面入口增加5排加裝防止磨損的瓦片；在低溫省煤器的受熱面殼穿管處和受熱面管板處，采用密封圈的密封方式。增加設備監造環節，嚴格把控設備監造程序，預防設備制作期間受熱面的損傷等問題，設備安裝期間對受熱面整體進行氣壓、水壓、探傷實驗，確保安裝后設備能夠正常使用。針對低溫省煤器換熱管易損壞的情況，對其彎頭加厚處理，壁管拉伸，彎曲彎頭制作等。對低溫省煤器的人孔密封，將煙氣流動不通暢及飛灰結塊、局部煙氣溫度過高等問題降至最低[14]。

3 優化設計原理

3.1 低溫省煤器優化設計

針對以上低溫省煤器存在的問題，對其進行優化設計，同時考慮到某電廠有多種燃煤機組，而且燃煤煤質和運行情況存在差異，優化原理如圖2所示。

圖2 省煤器水平及垂直布置優化設計

將低溫省煤器的系統優化分為優、中、差三個級別，其中優的指標為：含硫量<1.0%，含灰量<15%，水質量分數<10%，空氣預熱器煙氣側差壓<1.2 kPa，NOx質量濃度<400 mg/m3。

中的指標為：含硫量1.0%～2.5%，含灰量15%～25%，水質量分數10%～20%，空氣預熱器煙氣側差壓1.2～2.2 kPa，NOx質量濃度400～700 mg/m3。

差的指標為：含硫量>2.5%，含灰量>25%，水質量分數>20%，空氣預熱器煙氣側差壓>2.2 kPa，NOx質量濃度>700 mg/m3。

針對指標優，對受熱面進行水平布置，翅片高度選擇大或者小，材料選擇ND鋼，翅片節距≥16 mm，換熱器管型為螺旋翅片管或者H型翅片管；針對指標中，受熱面垂直或者水平布置，翅片高度選擇小，材料選擇ND鋼，翅片節距≥16～20 mm，換熱器管型為H型翅片管；針對指標差，受熱面垂直布置，翅片高度選擇小，材料選擇低溫段316L，翅片節距≥23 mm，換熱器管型為H型翅片管。

3.2 指標優化

鍋爐最大蒸發量工況下，水側流速低于1.5 m/s,鍋爐啟動期間或者低負荷工況下，水側介質流速≥ 0.3 m/s。凝結水管道內介質控制流速在2.5 m/s 內；在負荷75%工況下，低溫省煤器煙氣流速≥ 8 m/s。在煙氣出口處設置導流板時，對除塵器的入口及空氣預熱器的出口進行導流板及流場模擬設計，確保低溫省煤器的入口流場的穩定。針對復雜的流場和燃煤的含灰量時，對于含灰量≥20%時，低溫省煤器設置輸灰和整流格柵，便于檢修。對于現有低溫省煤器受熱面的底部沒有布置空間的，如果低溫省煤器下層的積灰堵塞較重，可以考慮將最下層的3排換熱管割除，將吹掃空間留出來，并將下邊的2層防磨瓦片加裝上，同時將落灰管和灰斗布置好，用于手動清灰。在低溫省煤器水側的面設置壓力變送器，可以實時監測換熱管內的壓力情況，可以對于隔離、檢查漏點情況，在冬天的時候溫度在0 ℃以下時，低溫省煤器啟動空氣吹掃系統和放水系統。

4 優化設計方案

將低溫省煤器受熱面整體布置于空氣預熱器與除塵器之間的水平煙道內，受熱面離鍋爐房較近，凝結水引出管與回水管較短，節省投資與基建費用；排煙溫度降低之后能夠大大改善除塵器、引風機的工作環境，延長設備的使用壽命；排煙溫度降低引起煙氣量減少，能夠降低風機的電耗，抵消一部分受熱面阻力，引風機裕度足可以克服受熱面阻力，不需要增設風機。

設計出低溫省煤器如圖3所示，其參數：縱向節距為120 mm，橫向節距為110 mm，翅片高度為80 mm，翅片厚度為2 mm，翅片節距為24 mm，翅片管尺寸38 mm×5 mm，翅片管型式，H型翅片管，受熱面尺寸4.84 m×4.40 m×2.60 m，凝結水進口溫度70 ℃，凝結水出口溫度96 ℃，進口煙氣溫度138 ℃，出口煙氣溫度90 ℃。

圖3 增加的低溫省煤器示意圖

低溫省煤器安裝時，在受熱面進口增加5～9m直段煙道，通過試驗得出縮擴結構和導流板煙氣場穩定，受熱面擴口角度為30°～45°，能夠使原來煙道內的脫硫脫硝支架移除，增加了流場通暢率；新加裝的低溫省煤器受熱面被腐蝕及磨損情況得到很好的控制，穩定運行未出現異常情況。

5 結 語

本文針對低溫省煤器的實際運行中發現的問題進行改造，選取合理的方案，通過穩定煙氣流速，受熱面位置合理布局，增加在線除灰輸灰等裝置，對新加裝的低溫省煤器整個系統上進行優化；對受熱面結構進行優化，通過對低溫省煤器的密封圈、管板及封頭進行改造，選擇小翅板和單翅板結構，優化受熱面結構參數；對于受熱面的腐蝕、泄漏情況進行優化，對低溫省煤器結構進行優化，材質進行優化，緩解了受熱面的堵塞和腐蝕情況，確保了低溫省煤器能夠長期穩定運行。考慮低溫省煤器的煤質和工況負荷情況，根據實際情況進行分析選擇。