熱管技術在1000MW機組MGGH中的工程應用

摘要：熱管技術由于其換熱原理與傳統的間壁式換熱器不同，基于熱管技術制作的換熱器作為MGGH降溫段，可確保冷卻水不會泄漏到煙氣中，從而確保MGGH系統高效穩定地運行。通過對熱管的技術特點和內部不凝性氣體的問題及采用的處理方法進行淺析，并介紹熱管技術在1000MW機組MGGH中的成功應用案例，以期為其它同類型機組的改造提供示范意義。

關鍵詞：1000MW機組；泄漏；熱管；不凝性氣體；工程應用

引言

MGGH是一種利用高溫流體的熱量來加熱低溫流體的換熱設備。在燃煤機組中，MGGH的降溫段換熱器通常設置在鍋爐空氣預熱器后、電除塵器前，升溫段換熱器則通常設置在脫硫吸收塔出口，系統中的熱媒水先通過降溫段換熱器吸收煙氣熱量，經過循環流動，吸收熱量后的熱媒水在升溫段換熱器對脫硫塔出來的凈煙氣進行加熱，使其溫度從50℃左右升到80℃以上，然后再排入煙囪[1]。

由于降溫段換熱器處于高濃度的煙塵環境中，傳統的間壁式換熱器在粉塵的長期沖刷磨損下，換熱管不可避免的就會出現冷卻水泄漏問題，造成煙風道積灰堵塞，影響電除塵器安全運行。此外，降溫段換熱器一旦積灰堵塞嚴重，其換熱性能大幅降低，就會導致吸收的熱量無法滿足升溫段出口煙氣溫度要求，進而對煙囪的安全性產生影響。

1熱管技術的發展與應用背景

熱管的原理，最早是由美國俄亥俄州通用發動機公司（The GeneralMotors Corporation，Ohio，U.S.A）的R.S.Gaugler 在1942年提出的，經過眾多學者的不斷研究，熱管技術已越來越廣泛地應用在各個工業領域中。

我國于20世紀70年代開始開展熱管的傳熱性能研究，相繼開發了熱管氣-氣換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發生器、高溫熱管熱風爐等各類熱管產品。由于碳鋼-水兩相閉式熱虹吸管的結構簡單、價格低廉、制造方便，易于在工業中推廣應用，碳鋼-水相容性的基本解決，使得此類熱管得以廣泛的應用，因此我國熱管技術工業化應用的開發研究發展迅速[2]。

傳統的MGGH降溫段換熱器為間壁式結構，無法避免換熱管磨損后造成的冷卻水泄漏問題。國內某知名環保企業針對這一難題，從2019年起著手研究熱管技術應用于降溫段換熱器中，在攻克了一系列的難題后，于2020年底在660MW大型燃煤機組中得到了成功應用，在行業內引起了巨大的反響，使得越來越多的環保企業和研究機構加入到熱管技術在這一領域的應用研究中[3]。

2熱管技術原理

熱管按照管內工作介質的回流動力區分，可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（又稱重力熱管）、重力輔助熱管、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等。目前，新型的熱管式降溫段換熱器都是采用兩相閉式熱虹吸管，其典型結構如圖1所示。熱管是密閉的，需先在管內充入一定量的工作介質，然后抽成1.3×（10-1-10-4）Pa的微負壓，工作時熱管吸熱段置于煙氣側，放熱段置于冷卻水側。當高溫煙氣對吸熱段進行加熱時，熱管內的工質吸收汽化潛熱，由液體變為蒸汽，在管內一定壓差的作用下，流動到放熱段，蒸汽遇到冷的壁面會凝結成液體，同時釋放出汽化潛熱，通過管壁傳給外面的冷卻水，而冷凝后的工質在重力作用下流回吸熱段，重新開始蒸發吸熱過程，周而往復[4]。

3不凝性氣體的產生及處理方法

碳鋼-水熱管的相容性問題是熱管技術應用需要注意的問題，由于水與管殼材料發生化學反應或電化學反應，產生不凝性氣體（主要為H2），破壞了熱管的真空度，導致傳熱性能下降，嚴重時甚至失效。由于化學反應和電化學反應不可避免地會有金屬腐蝕過程，且只能抑制或延緩，不可能消除，因此從這個意義上講，解決碳鋼-水熱管相容性問題的技術措施可稱之為延壽方法。此外，相關工程經驗表明，熱管內部的不凝性氣體在初次投運后1年內會釋放完畢，之后不會繼續產生，熱管性能趨于穩定。

3.1不凝性氣體的產生機理

鐵與水蒸氣發生的化學反應[5]如下所示。

鐵與液體水發生的電化學反應[5]如下所示。

3.2不凝性氣體的處理方法

3.2.1表面鈍化

表面鈍化有高溫蒸汽表面鈍化和化學液鈍化2種方法，其目的都是使管壁形成Fe3O4氧化膜鈍化層，阻止碳鋼和水發生反應形成不凝性氣體[6]。表面鈍化的方法可有效地解決不凝性氣體的問題，但要求制造廠必須建設大型的鈍化液池，成本較為高昂，且廢水處理問題最為棘手，故一般不采用。而如果采用蒸汽鈍化，同樣也會面臨蒸汽源和生產成本較大的問題。

3.2.2添加緩蝕劑

在工質中添加緩蝕劑是為了使管壁表面產生更為均勻與密集的Fe3O4鈍化層[6]，同時添加緩蝕劑也能較好地解決不凝性氣體的問題。緩蝕劑品種很多，但傳統型緩蝕劑像鉻酸鹽、汞鹽、鋅鹽等有毒性；磷酸鹽、有機磷酸鹽、多聚磷酸鹽等緩蝕劑含磷化合物和有機胺等含氮化合物難降解，且易造成水體富營養化，水處理要求高、成本高，現已逐漸限制使用。因此，一般采用陽極型緩蝕劑，其管壁緩蝕效果較好。

3.2.3排放法

排放法是在熱管冷凝段端部裝上排氣閥，當采用儀器檢測出熱管內部產生不凝性氣體時，可打開排氣閥將積累的氫氣排出去，從而恢復熱管的換熱性能[7]。排放法的核心是排氣閥的結構需設計合理、密封可靠，且制造費用低。

3.2.4滲透法

滲透法是在熱管冷凝端裝上透氫活化金屬層和促氫脫附金屬層，從而形成復合層，讓所產生的氫氣隨時滲透出去[8]。滲透法設計方案復雜，需要精密設備輔助排氣，單根熱管成本大幅增加，由于不凝性氣體實時排放，故熱管處于非完全密閉狀態，長時間運行可能導致熱管工質的流失，維護成本高。

3.2.5在熱管頂部裝吸氫劑

該方法是在熱管制造時，在熱管冷凝段頂部裝吸氫劑，當熱管內部產生氫氣時，吸氫劑與氫氣發生化學反應，從而減小不凝性氣體的影響[9]。由于受到結構的影響，吸氫劑的量有限，因此在熱管的使用壽命內，無法完全吸收產生的氫氣，且結構較復雜，制造困難。

3.2.6預留儲氣段

預留儲氣段的做法是將冷凝段的長度設計預留長一些，用于儲存產生的不凝性氣體，儲氣段本身不考慮參與換熱。由于熱管長度增加，該方法會增加設備的制造成本。

4工程應用

廣東省某電廠4號機組為1000MW超超臨界參數變壓直流鍋爐，一次再熱，單爐膛，前后墻對沖燃燒方式，尾部雙煙道結構，擋板調節再熱器溫，固態排渣，全鋼構架，全懸吊結構，平衡通風，露天布置，三分倉回轉式空預器，Π 型煤粉鍋爐。根據超低排放的環保要求，2017 年在電廠4號機組配置了MGGH 系統，并在機組除塵器前水平煙道設置一級換熱器將除塵器入口煙氣溫度由135℃降至95.7℃，吸收塔出口設置二級換熱器將脫硫后的凈煙氣由46℃加熱至80℃以上排放。

4.1 工程現狀

自MGGH系統投運以來，一級換熱器壓差日益增大，滿負荷壓差最高值可達1800Pa，夏季工況由于MGGH 堵灰等問題，導致機組無法帶滿負荷。停機檢查發現一級換熱器翅片之間存在灰垢堵塞現象，下部堵塞嚴重，灰垢緊貼基體的部分較硬，管壁局部腐蝕，受熱面整體利用率僅為57.5%。2020年以來，一級換熱管泄漏更為頻繁，多煙道多模塊同時泄漏，嚴重時導致電除塵進水，影響機組的煙塵排放。一級換熱器漏水導致電除塵一電場短路失效，二電場、三電場和四電場無法承擔輸灰量導致高壓柜跳閘，引起煙塵超標。為從根本上解決一級換熱器積灰、磨損、泄漏等問題，確保煙塵排放不超標，降低煙風系統阻力，提高機組運行安全性經濟性，某電廠在2023年初對4號機組一級換熱器進行了優化改造。

4.2改造方案

4.2.1改造技術方案

某電廠4號機組一級換熱器改造采用熱管技術，將原MGGH一級換熱器進行拆除，并更換為真空熱管換熱器，換熱器的布置位置與原一級換熱器基本相同。一級換熱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，前后兩組換熱器之間設有檢修通道。

由于熱管換熱器的結構與原一級換熱器不同，本次改造采取CFD軟件優化空預器出口至MGGH一級換熱器入口段的煙道流場，避免出現煙氣走廊、煙氣偏流及產生煙氣渦流，通過加裝氣流均布裝置等措施，確保加裝熱管換熱器后各煙道流量均衡。

本次改造不改變原有工藝系統，僅對一級換熱器改造范圍內涉及到的管道進行拆除，并根據新的一級換熱器結構進行管道局部改造。真空熱管換熱器的整體設計參數如表1所示。

4.2.2不凝性氣體處理方案

本次改造針對不凝性氣體的處理采用排放法，即在熱管冷凝段端部裝上排氣閥，當采用儀器檢測出熱管內部產生不凝性氣體時，打開排氣閥將積累的氫氣排出去。

4.2.3運行效果

某電廠4號機組一級換熱器在2023年4月初改造完成并正式投運，根據第三方性能測試結果，改造后4號機組滿足“一級換熱器出口煙溫低于103℃、煙氣側阻力低于500Pa、二級換熱器出口煙溫高于或等于80℃”等各項性能保證值的要求，詳見表2。

4.2.4不凝性氣體處理效果

改造后的某電廠4號機組一級換熱器自2023年4月投運以來，由于換熱管內不斷地產生不凝性氣體，一級換熱器的換熱性能逐漸下降，如圖2所示。剛投運時，一級換熱器的煙氣平均降溫幅度為38.5℃，冷卻水的平均溫升為37.2℃；到7月，煙氣平均降溫幅度下降至31.6℃，冷卻水的平均溫升也下降至28.9℃。經過在線排氣釋放不凝性氣體后，一級換熱器的換熱性能恢復到初始投運水平，之后2個月運行參數基本沒有發生變化，換熱性能趨于穩定。

結語

熱管換熱技術從工作原理上能很好地解決傳統MGGH降溫段換熱器及同類設備的磨損泄漏問題，且熱管換熱器的布置場地與傳統換熱器基本相當，因此不僅適用于MGGH降溫段換熱器及同類設備的二次改造，同時也適用于新機組、新設備。對于熱管內部不凝性氣體的處理，上文所述的排放法既能夠有效地解決，也能確保設備的換熱性能。目前，熱管技術已在1000MW大型機組上成功應用，表明該技術已經克服了大型化應用的系列難題，為其它同類型機組的改造提供了示范意義，值得大力推廣。

參考文獻

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[9]鄧光霞.中高溫太陽能真空集熱管用吸氫材料的研究[D].北京：北京有色金屬研究總院，2013.

作者簡介

余春生（1981—），男，漢族，廣東河源人，工程師，大學本科，主要從事火電廠環保設備檢修管理工作。