摘要：相比于傳統(tǒng)的間壁式低溫省煤器，基于重力熱管技術(shù)的低溫省煤器能有效防止冷卻水泄漏到煙氣中，徹底解決因泄漏造成煙道積灰堵塞的問題。首先，通過對徑向重力熱管低溫省煤器和軸向重力熱管低溫省煤器進(jìn)行對比分析，得出軸向重力熱管低溫省煤器更適合大型項(xiàng)目的結(jié)果；其次，以某燃煤電廠660MW 燃煤發(fā)電機(jī)組為例，對機(jī)組配套的熱管低溫省煤器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，并分析關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問題和注意事項(xiàng)；最后，對熱管低溫省煤器的運(yùn)行維護(hù)方式進(jìn)行探討。以期為新建機(jī)組或升級改造項(xiàng)目配套熱管低溫省煤器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；重力熱管；低溫省煤器；設(shè)計(jì)應(yīng)用；運(yùn)行維護(hù)

在電除塵器前端煙道設(shè)置低溫省煤器，通過從汽機(jī)低加管道引凝結(jié)水至低溫省煤器，與高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱量交換，將電除塵器入口煙溫降至90～110 ℃的低低溫狀態(tài)，既能實(shí)現(xiàn)排煙余熱的有效回收利用，又可提升電除塵的效率[1-3]。根據(jù)我國的節(jié)能環(huán)保政策，在現(xiàn)階段乃至未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，低溫省煤器技術(shù)均具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的間壁式低溫省煤器有50% 以上投運(yùn)不足3 a 就出現(xiàn)了冷卻水泄漏情況[4]，造成煙風(fēng)道堵塞和電除塵器積灰板結(jié)，其主要原因是電除塵器前粉塵濃度高、煙氣流速快，使得低溫省煤器的換熱元件長期受粉塵沖刷磨損，從而導(dǎo)致泄漏。在此背景下，基于重力熱管技術(shù)的低溫省煤器應(yīng)運(yùn)而生，其獨(dú)特的原理和結(jié)構(gòu)特征，不僅能夠有效防止冷卻水泄漏到煙氣中，還能確保低溫省煤器和電除塵器安全高效運(yùn)行。

1 重力熱管技術(shù)

目前，基于重力熱管技術(shù)的低溫省煤器主要有2 種結(jié)構(gòu)，一種是徑向重力熱管，一種是軸向重力熱管，兩者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)不同項(xiàng)目的情況和特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

1.1 徑向重力熱管工作原理

徑向重力熱管結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)為大管套小管，由內(nèi)管、外管和翅片3 部分組成。徑向重力熱管的內(nèi)管和外管之間填充有換熱工質(zhì)，管的兩端通過封頭焊接，使內(nèi)管和外管之間形成密閉空間，且內(nèi)管為冷卻水通道。當(dāng)熱煙氣流過外管時(shí)，將熱量傳遞給內(nèi)管和外管之間的換熱工質(zhì)；工質(zhì)吸熱后氣化，將熱量傳遞給內(nèi)管內(nèi)的冷卻水；待釋放熱量后，工質(zhì)重新冷凝成液態(tài)，如此反復(fù)的吸熱和放熱，從而完成熱量的傳遞[5]。

1.2 軸向重力熱管工作原理

軸向重力熱管工作原理如圖2 所示，其在結(jié)構(gòu)上分為3 段，從上至下依次為冷凝段、絕熱段和蒸發(fā)段。工作時(shí)，軸向重力熱管的蒸發(fā)段從熱煙氣吸收熱量，管內(nèi)工質(zhì)受熱后相變氣化；氣態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)段與冷凝段的壓差作用下，由蒸發(fā)段上升至冷凝段，并將熱量傳遞給冷卻水；釋放潛熱后，工質(zhì)又冷凝為液態(tài)，并在重力作用下重新流回蒸發(fā)段，如此不斷循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞[6]。

1.3 徑向重力熱管低溫省煤器與軸向重力熱管低溫省煤器對比

徑向重力熱管低溫省煤器與軸向重力熱管低溫省煤器的對比情況如表1 所示。

徑向重力熱管低溫省煤器占地面積小、傳熱功率大、等溫性好。但其熱管長度受熱應(yīng)力限制，換熱器尺寸較小，只適用于煙道尺寸較小的小型機(jī)組項(xiàng)目；同時(shí)，冷卻水通道處于煙道內(nèi)部，在粉塵濃度較高的環(huán)境下，內(nèi)外管可能會被沖刷磨損，導(dǎo)致冷卻水泄漏至煙道內(nèi)。

軸向重力熱管低溫省煤器占地面積大、傳熱功率小、不凝性氣體易在端部聚集，使得等溫性受到影響。但其熱管長度受熱應(yīng)力影響小，換熱器尺寸可大可小，非常適用于煙道尺寸大的大型機(jī)組項(xiàng)目；同時(shí)，冷卻水在煙道外部，不易泄漏至煙道內(nèi)，且蒸發(fā)段受粉塵沖刷磨損后，造成的影響也非常小，能夠適用于高粉塵濃度的環(huán)境。

2 案例項(xiàng)目概況與設(shè)計(jì)方案

2.1 項(xiàng)目概況

案例項(xiàng)目為某燃煤電廠擴(kuò)建項(xiàng)目，需擴(kuò)建2 臺660 MW 超超臨界一次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)脫硫、脫硝裝置。為提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，在電除塵器前端配套設(shè)置熱管低溫省煤器，將電除塵器入口煙溫從114.2 ℃降至90 ℃左右，可在回收排煙余熱的同時(shí)有效提高電除塵器效率。

2.2 低溫省煤器采用的熱管形式

案例項(xiàng)目的大型燃煤發(fā)電機(jī)組為新建機(jī)組，低溫省煤器區(qū)域的場地規(guī)劃充足，設(shè)計(jì)煤種的電除塵器進(jìn)口粉塵濃度為18.91 g/Nm3，因此低溫省煤器不適合采用徑向熱管形式，應(yīng)當(dāng)采用軸向熱管形式。

2.3 軸向熱管低溫省煤器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案

2.3.1 攜帶極限計(jì)算

軸向熱管中，換熱工質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱后變成蒸汽向上運(yùn)動(dòng)，而冷凝后的液態(tài)工質(zhì)向下回流，兩者運(yùn)動(dòng)方向相反。但高速的蒸汽會攜帶部分回流的液態(tài)工質(zhì)重新回到冷凝段，當(dāng)其攜帶的液態(tài)工質(zhì)達(dá)到一定量時(shí)，返回蒸發(fā)段的液態(tài)工質(zhì)無法滿足蒸發(fā)段的換熱需求，便會導(dǎo)致蒸發(fā)段干涸，影響換熱[7]。因此，在熱管低溫省煤器設(shè)計(jì)中，攜帶極限計(jì)算是極為關(guān)鍵的一個(gè)步驟，要求計(jì)算傳熱量＜攜帶極限，且留有足夠余量，一般對煙氣方向的首排管和末排管進(jìn)行攜帶極限計(jì)算即可滿足要求。

根據(jù)案例項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照初步選定的管徑φ 42 mm 進(jìn)行熱力計(jì)算，首排管和末排管的計(jì)算傳熱量分別為3.66 kW 和4.87 kW，攜帶極限分別為9.26 kW 和6.25 kW，攜帶極限的余量分別為60.5% 和22.1%，因此管徑選擇合適。

2.3.2 充液率

換熱工質(zhì)充液率對換熱器的性能有顯著影響。如果充液率過低，會導(dǎo)致蒸發(fā)段干涸，使得蒸發(fā)段管內(nèi)壁面無液膜覆蓋，從而引起壁面溫度升高，管壁傳熱性能下降；如果充液率過高，不僅會引起不穩(wěn)定傳熱，還會影響傳熱效果。根據(jù)程偉良等[8] 的研究成果可知，當(dāng)充液率為30%～50% 時(shí)，熱管工作性能最佳?？紤]案例項(xiàng)目后續(xù)排氣時(shí)的工質(zhì)損失，充液率按35% 選型。

2.3.3 管壁溫度計(jì)算及材質(zhì)選擇

案例項(xiàng)目設(shè)計(jì)煤種和校核煤種的酸露點(diǎn)分別為99 ℃和129 ℃，為了防止酸露點(diǎn)腐蝕，需確保熱管的管壁溫度高于酸露點(diǎn)，或采用有限腐蝕法進(jìn)行熱管材質(zhì)的選擇。

熱管換熱器的煙氣和冷卻水采用逆流換熱方式，其最低管壁溫度出現(xiàn)在煙氣方向的末排熱管，因此只要保證末排熱管的管壁溫度高于酸露點(diǎn)，就能最大程度地避免腐蝕侵害。經(jīng)計(jì)算，案例項(xiàng)目末排熱管的管壁溫度為60 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于酸露點(diǎn)，存在較大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，利用熱管管壁溫度可調(diào)的特點(diǎn)，通過縮短后3排熱管的冷凝段長度，將末排熱管的管壁溫度提高至75 ℃。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，對于管壁溫度低于85 ℃的低溫段，熱管宜采用316 L 材質(zhì)，耐腐蝕性能強(qiáng)；對于管壁溫度高于85 ℃的高溫段，熱管宜采用ND 鋼材質(zhì)，如ND 鋼換熱管的腐蝕速率按0.1 mm/a、腐蝕量按2 mm 考慮，則換熱元件的壽命將在20 a 以上。

2.3.4 防積灰技術(shù)措施

案例項(xiàng)目中熱管低溫省煤器的換熱元件為垂直布置，如蒸發(fā)段采用常規(guī)H 型翅片或螺旋翅片則抗積灰效果較差，因此蒸發(fā)段采用開齒翅片管，增強(qiáng)煙氣的擾流作用，加強(qiáng)抗積灰能力。同時(shí)，通過合理的煙氣流速設(shè)計(jì)，使煙氣流對換熱面保持適度沖刷，從而實(shí)現(xiàn)一定的自清潔作用。另外，為進(jìn)一步防止換熱面積灰，給每臺低溫省煤器配置2 臺聲波吹灰器和2 臺蒸汽吹灰器進(jìn)行清灰，并通過邏輯控制使吹灰器根據(jù)煙氣阻力改變吹灰頻率。

2.3.5 不凝性氣體處理措施

案例項(xiàng)目采取了2 項(xiàng)措施，解決軸向重力熱管產(chǎn)生的不凝性氣體在頂部聚集的問題。一是在熱管頂部預(yù)留一定長度的儲氣室，用于儲存不凝性氣體；二是在熱管頂部設(shè)置排氣裝置，當(dāng)不凝性氣體達(dá)到一定量時(shí)進(jìn)行排氣操作，從而將不凝性氣體排出管外[9]。

3 軸向重力熱管低溫省煤器的運(yùn)行維護(hù)

3.1 解決不凝性氣體影響問題

基于軸向重力熱管低溫省煤器的換熱原理和運(yùn)行控制方式可知，其運(yùn)行維護(hù)的關(guān)鍵問題是不凝性氣體的影響。因此，在軸向重力熱管低溫省煤器的日常運(yùn)行中，應(yīng)注重對不凝性氣體的判斷與監(jiān)控。

3.1.1 判斷方法

當(dāng)軸向重力熱管低溫省煤器運(yùn)行一段時(shí)間后，在同負(fù)荷、同進(jìn)口煙溫、同冷卻水量的條件下，將此時(shí)的熱管換熱器出口煙溫與剛投運(yùn)時(shí)的熱管換熱器出口煙溫進(jìn)行對比，如果升高了10 ℃以上，則表示熱管換熱器對煙氣的降溫幅度下降了10 ℃以上，即可初步判斷熱管換熱器的部分熱管內(nèi)部產(chǎn)生了不凝性氣體。

3.1.2 位置監(jiān)控

為了進(jìn)一步確定不凝性氣體的具體位置，逐個(gè)關(guān)閉換熱模塊進(jìn)出口閥門進(jìn)行隔離，0.5 h后采用熱成像儀對熱管封頭進(jìn)行拍攝檢查。如果某根熱管可能存在不凝性氣體，那么其封頭會在熱成像儀中呈現(xiàn)出暗色甚至黑色，采用測溫槍對該熱管封頭進(jìn)行測溫，如果發(fā)現(xiàn)其溫度明顯低于（10 ℃以上）良好熱管，那么便可確定該熱管內(nèi)部存在不凝性氣體。當(dāng)確定存在不凝性氣體的熱管后，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記定位，定位好所有存在不凝性氣體的熱管后，按照專業(yè)工藝方法進(jìn)行現(xiàn)場再生操作。

3.2 消除出口煙溫過高影響因素

出口煙溫過高的原因包括換熱面積灰、熱管水側(cè)結(jié)垢、水側(cè)流量偏小、入口煙溫超溫、熱管內(nèi)存在不凝性氣體等。其中，對于換熱面積灰，可通過增大吹灰頻率來增強(qiáng)清灰效果，必要時(shí)可利用機(jī)組停爐時(shí)間對換熱面進(jìn)行水沖洗；對于熱管水側(cè)結(jié)垢，可通過對冷卻水水質(zhì)的檢查，適當(dāng)增加排污次數(shù)；對于水側(cè)流量偏小，可通過調(diào)節(jié)進(jìn)口閥門的開度增大水流量；對于入口煙溫超溫，因其屬于燃燒煤種或上游設(shè)備的原因，故可通過采取調(diào)節(jié)煤種或檢查上游設(shè)備的措施降低入口煙的溫度；對于熱管內(nèi)存在不凝性氣體，可通過排氣操作將不凝性氣體排除，從而恢復(fù)換熱性能。

3.3 消除煙氣阻力超標(biāo)影響因素

煙氣阻力超標(biāo)的原因包括換熱面積灰、煙道有異物、煙氣量超標(biāo)等。其中，對于換熱面積灰，可通過增大吹灰頻率來增強(qiáng)清灰效果；對于煙道有異物，可利用機(jī)組停爐時(shí)間進(jìn)行煙道內(nèi)部檢查排除異物；對于煙氣量超標(biāo)，因其一般與燃燒煤種有關(guān)，故可通過調(diào)整燃燒煤種的方法優(yōu)化煙氣量。

4 結(jié)束語

綜上所述，相較于傳統(tǒng)低溫省煤器，徑向重力熱管低溫省煤器和軸向重力熱管低溫省煤器在解決冷卻水泄漏問題方面均有良好的效果，兩者分別在不同條件下具有一定的適應(yīng)性。徑向重力熱管受熱應(yīng)力影響，換熱器尺寸較小且無法做大，仍有一定的冷卻水泄漏風(fēng)險(xiǎn)；軸向重力熱管則無此類問題。因此，對于大型燃煤機(jī)組，推薦采用軸向重力熱管低溫省煤器。

但在軸向重力熱管低溫省煤器的實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)特別注意攜帶極限計(jì)算、充液量、管壁溫度計(jì)算，以及材質(zhì)選擇、防積灰、不凝性氣體處理措施等關(guān)鍵問題，可通過合理選型及設(shè)置，使設(shè)備的性能最優(yōu)；同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注不凝性氣體的影響，其中設(shè)置排氣閥是一種一勞永逸的解決措施，值得大力推廣。此外，還應(yīng)關(guān)注出口煙溫、設(shè)備阻力等重要指標(biāo)，及時(shí)分析并排查異常原因。

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作者簡介

蔡澤鋒（1998—），男，漢族，廣東汕頭人，助理工程師，學(xué)士，主要從事電廠設(shè)備檢修工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-08-12