姜艷則

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719300)

隨著電力需求的不斷增加，電廠用電設(shè)備也在持續(xù)改進(jìn)中，我國承諾在2030年前達(dá)到碳達(dá)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(shí)現(xiàn)CO2零排放。各省份的用煤指標(biāo)都是在一定范圍內(nèi)，在煤炭指標(biāo)一定的情況下，電廠如何能夠產(chǎn)出更多的電，化工企業(yè)如何能夠產(chǎn)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(biāo)嚴(yán)格控制的情況下，對發(fā)電機(jī)組的改造是目前多數(shù)電廠采用的方法，目前的改造都是增加發(fā)電機(jī)組的容量，這樣就會出現(xiàn)一個問題，會導(dǎo)致原來的發(fā)電機(jī)組設(shè)備的排放煙氣溫度過高，存在與原始設(shè)計不符的情況，這樣帶來的負(fù)面影響是，燃煤使用量增加，同時煙氣的溫度過高導(dǎo)致設(shè)備的腐蝕幾率增加[2]。

現(xiàn)有某電廠一臺1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐是上海鍋爐有限公司設(shè)計制造SG-3192/27.46-M550超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，機(jī)組空預(yù)器出口排煙溫度較高，約130～140 ℃，本機(jī)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(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，對機(jī)組進(jìn)行余熱利用改造勢在必行。本項(xiàng)目是在節(jié)能減排理念指引下，針對該電廠1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組排煙溫度高的弊端，研究開發(fā)出一種煙氣余熱利用工藝方案，以實(shí)現(xiàn)火電廠節(jié)能減排，綠色高效生產(chǎn)的目的[3]。該電廠煙氣系統(tǒng)設(shè)置有電除塵和石灰石濕法脫硫系統(tǒng)，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(tǒng)里腐蝕是最常見的一種現(xiàn)象，為了避免長時間對設(shè)備的腐蝕，在電除塵系統(tǒng)的出口將煙氣溫度高于120 ℃[4]；濕法脫硫系統(tǒng)中，進(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度過高，會導(dǎo)致脫硫過程中的用水量大幅增加，煙氣含水量增加，煙囪運(yùn)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(tǒng)的安全性和脫硫率，在實(shí)際的運(yùn)行中，空預(yù)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(shè)置煙氣冷卻器，即在煙道直接噴水進(jìn)行煙氣冷卻，這種方法浪費(fèi)大量的水資源，同時效果也不佳，也造成了熱量的浪費(fèi)；現(xiàn)在的采用的主流技術(shù)是余熱回收技術(shù)[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(jié)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(shí)際需要的范圍之內(nèi)，結(jié)合我國現(xiàn)有的節(jié)能減排政策，現(xiàn)有的技術(shù)存在的缺點(diǎn)是，低溫省煤器的安裝是在煙道內(nèi)，煙道內(nèi)的煙灰較多，特別容易出現(xiàn)堵灰、積灰情況，在發(fā)電機(jī)組較多的電廠，低溫省煤器的清理已經(jīng)成為一種常態(tài)作業(yè)，給企業(yè)帶來了風(fēng)險和維修成本[6]；如果低溫省煤器沒有及時的清理，會導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱效率降低，對后續(xù)的管線及設(shè)備腐蝕大為增加。

1 主要存在的問題

1.1 煙道內(nèi)飛灰堵塞

在火力發(fā)電廠中，低溫省煤器在煙道內(nèi)布置，煙氣中的飛灰落在低溫省煤器受熱面上，導(dǎo)致?lián)Q熱效率差，同時導(dǎo)致煙氣流場不穩(wěn)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(shí)際測算，得出出現(xiàn)以上問題的原因如下：

(1)低溫省煤器導(dǎo)流板的設(shè)計和入口流場的設(shè)計不合理，導(dǎo)致煙道內(nèi)存在的煙氣流速偏低，使煙氣中的飛灰沉積在受熱面，導(dǎo)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(jìn)口變徑設(shè)計未經(jīng)過實(shí)際反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，擴(kuò)口煙道截面積或者角度忽然變大，導(dǎo)致煙氣流速降低或者飛灰沉積[7]。

(2)當(dāng)煤粉的含灰量過高時，低溫省煤器的低負(fù)荷設(shè)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(shè)計水溫及煙溫過低，導(dǎo)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(shè)置位置不合理，受熱面橫縱向距離小，在大翅片、雙翅片結(jié)構(gòu)中，縱向、橫向的積灰容易形成灰墻，螺紋距離或者翅片結(jié)距小，導(dǎo)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(jié)凝結(jié)水或者積灰使煙道堵塞，在煙氣中存有酸性氣如：含硫物質(zhì)等，會溶解于水中，此因素也加速了換熱器的腐蝕進(jìn)度，現(xiàn)有低溫省煤器的存在問題是，管道內(nèi)空間位置局限，對煙氣流場優(yōu)化較難，導(dǎo)流板的設(shè)置存在缺陷，導(dǎo)致煙氣走向不均勻，在局部區(qū)域存在渦流、濃度偏高等問題，受熱面磨損嚴(yán)重；在現(xiàn)有運(yùn)行的電廠中低溫省煤器改造技術(shù)較為原始，受熱面一般是通過對假管和防磨瓦進(jìn)行設(shè)置，低溫省煤器的封頭和管板存在密封不嚴(yán)的情況，形成局部煙氣渦流，對換熱器進(jìn)行磨損[9]。

2 工程概況

選取本項(xiàng)目基于某電廠1 000 MW燃煤機(jī)組排煙溫度高的問題，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，結(jié)合最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，從多角度對適合的煙氣余熱利用技術(shù)進(jìn)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(shù)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(jī)組運(yùn)行的環(huán)保性、安全性與經(jīng)濟(jì)性[10]。

2.1 材質(zhì)優(yōu)化

通過查詢數(shù)據(jù)得出，露點(diǎn)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(guān)系

由圖1 金屬壁面溫度與腐蝕速率和酸沉積率間的關(guān)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(diǎn)以下時，煙氣中的酸性氣凝結(jié)在水中，形成酸性霧，酸性霧凝結(jié)量積存后形成酸性水，對受熱面及管壁進(jìn)行腐蝕，在酸性霧剛開始凝結(jié)時，凝結(jié)液中的酸性物質(zhì)濃度較低，腐蝕較慢；等凝結(jié)水中的酸性物質(zhì)濃度達(dá)到一定程度后，腐蝕速率增加，腐蝕速率到達(dá)最大點(diǎn)；當(dāng)受熱面溫度再降低，則金屬壁溫度會下降，在溫度到達(dá)水露點(diǎn)以下時凝結(jié)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(qū)，腐蝕較為嚴(yán)重的階段是兩個，同時也存在兩個安全區(qū)，所以低溫省煤器的溫度要高于受熱面的酸露點(diǎn)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(jìn)行腐蝕。優(yōu)化設(shè)計將此段的材料設(shè)為耐腐蝕的ND鋼，在鍋爐啟動瞬間或者低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，保持受熱面溫度高于露點(diǎn)溫度以上。在國內(nèi)ND鋼是目前耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕用的最佳鋼材，其抗腐蝕率性能比國外進(jìn)口同等類鋼材都好。

(1)

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化

降低排煙溫度的余熱利用技術(shù)主要有三類系統(tǒng)，分別為低溫省煤器技術(shù)、低溫省煤器聯(lián)合暖風(fēng)器的廣義回?zé)峒夹g(shù)和通過煙氣冷卻/再熱提高濕煙氣溫度的MGGH系統(tǒng)。結(jié)合該電廠實(shí)際情況，鑒于鍋爐設(shè)備空間較小，增加暖風(fēng)器等設(shè)備使系統(tǒng)復(fù)雜，占用空間增加；同時MGGH系統(tǒng)不具有節(jié)能潛力，因此本項(xiàng)目僅采用低溫省煤器技術(shù)。在設(shè)計低溫省煤器時，對其先進(jìn)行煙氣入流場實(shí)驗(yàn)，根據(jù)流場測試數(shù)值對其進(jìn)行物理模擬和數(shù)值模擬，并與實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)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(wěn)定。低溫省煤器的入口水溫和出口煙溫的設(shè)計，將換熱器的尺寸及個數(shù)控制在最少，檢修通道數(shù)最少，對低溫省煤器煙氣進(jìn)出口進(jìn)行擴(kuò)口，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對其進(jìn)行角度擴(kuò)口，擴(kuò)口角度為30°～45°，飛灰沉積速率降低。提高低負(fù)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(jìn)口處設(shè)置燃煤含灰量檢測裝置，當(dāng)燃煤含灰量多時，對其進(jìn)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(jìn)行優(yōu)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(fā)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(jìn)行優(yōu)化；增加低溫省煤器的在線壓力和溫度監(jiān)控裝置，和在線空氣壓縮吹掃裝置，可以更好地對煙道內(nèi)的低溫省煤器進(jìn)行檢查、維修等[13]。針對冬季寒冷季節(jié)，為防止因積水原因引起設(shè)備凍堵，增加快速放水裝置，在系統(tǒng)停運(yùn)期間，將受熱面中的水能夠快速釋放。

2.3 受熱面優(yōu)化

優(yōu)化受熱面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，增加管束的縱向和橫向距離，改用小翅片和單翅片結(jié)構(gòu)，可以將管束間的積灰黏結(jié)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(shè)備監(jiān)造環(huán)節(jié)，嚴(yán)格把控設(shè)備監(jiān)造程序，預(yù)防設(shè)備制作期間受熱面的損傷等問題，設(shè)備安裝期間對受熱面整體進(jìn)行氣壓、水壓、探傷實(shí)驗(yàn)，確保安裝后設(shè)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(jié)塊、局部煙氣溫度過高等問題降至最低[14]。

3 優(yōu)化設(shè)計原理

3.1 低溫省煤器優(yōu)化設(shè)計

針對以上低溫省煤器存在的問題，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時考慮到某電廠有多種燃煤機(jī)組，而且燃煤煤質(zhì)和運(yùn)行情況存在差異，優(yōu)化原理如圖2所示。

圖2 省煤器水平及垂直布置優(yōu)化設(shè)計

將低溫省煤器的系統(tǒng)優(yōu)化分為優(yōu)、中、差三個級別，其中優(yōu)的指標(biāo)為：含硫量<1.0%，含灰量<15%，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%，空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)差壓<1.2 kPa，NOx質(zhì)量濃度<400 mg/m3。

中的指標(biāo)為：含硫量1.0%～2.5%，含灰量15%～25%，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～20%，空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)差壓1.2～2.2 kPa，NOx質(zhì)量濃度400～700 mg/m3。

差的指標(biāo)為：含硫量>2.5%，含灰量>25%，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)>20%，空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)差壓>2.2 kPa，NOx質(zhì)量濃度>700 mg/m3。

針對指標(biāo)優(yōu)，對受熱面進(jìn)行水平布置，翅片高度選擇大或者小，材料選擇ND鋼，翅片節(jié)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(biāo)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(jié)距≥16～20 mm，換熱器管型為H型翅片管；針對指標(biāo)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(jié)距≥23 mm，換熱器管型為H型翅片管。

3.2 指標(biāo)優(yōu)化

鍋爐最大蒸發(fā)量工況下，水側(cè)流速低于1.5 m/s,鍋爐啟動期間或者低負(fù)荷工況下，水側(cè)介質(zhì)流速≥ 0.3 m/s。凝結(jié)水管道內(nèi)介質(zhì)控制流速在2.5 m/s 內(nèi)；在負(fù)荷75%工況下，低溫省煤器煙氣流速≥ 8 m/s。在煙氣出口處設(shè)置導(dǎo)流板時，對除塵器的入口及空氣預(yù)熱器的出口進(jìn)行導(dǎo)流板及流場模擬設(shè)計，確保低溫省煤器的入口流場的穩(wěn)定。針對復(fù)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(shè)置輸灰和整流格柵，便于檢修。對于現(xiàn)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(cè)的面設(shè)置壓力變送器，可以實(shí)時監(jiān)測換熱管內(nèi)的壓力情況，可以對于隔離、檢查漏點(diǎn)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(tǒng)和放水系統(tǒng)。

4 優(yōu)化設(shè)計方案

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

設(shè)計出低溫省煤器如圖3所示，其參數(shù)：縱向節(jié)距為120 mm，橫向節(jié)距為110 mm，翅片高度為80 mm，翅片厚度為2 mm，翅片節(jié)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(jié)水進(jìn)口溫度70 ℃，凝結(jié)水出口溫度96 ℃，進(jìn)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(jìn)口增加5～9m直段煙道，通過試驗(yàn)得出縮擴(kuò)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流板煙氣場穩(wěn)定，受熱面擴(kuò)口角度為30°～45°，能夠使原來煙道內(nèi)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(wěn)定運(yùn)行未出現(xiàn)異常情況。

5 結(jié) 語

本文針對低溫省煤器的實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改造，選取合理的方案，通過穩(wěn)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(tǒng)上進(jìn)行優(yōu)化；對受熱面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過對低溫省煤器的密封圈、管板及封頭進(jìn)行改造，選擇小翅板和單翅板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)；對于受熱面的腐蝕、泄漏情況進(jìn)行優(yōu)化，對低溫省煤器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)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(wěn)定運(yùn)行。考慮低溫省煤器的煤質(zhì)和工況負(fù)荷情況，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析選擇。