0引言

近十年來,全國對燃煤機組全面實施了超低排放和節(jié)能改造,其中MGGH(Media Gas-Gas Heater,熱媒體氣氣換熱器)作為超低排放的高效處理技術在國內(nèi)得到了廣泛應用。MGGH系統(tǒng)是一個閉式循環(huán)系統(tǒng),主要由布置于電除塵器前的一級換熱器(也稱“煙氣冷卻器”)和布置于脫硫塔后的二級換熱器(也稱“煙氣加熱器”)組成,熱媒水先進入一級換熱器回收煙氣余熱,加熱后的熱媒水進入二級換熱器加熱脫硫后的低溫煙氣,實現(xiàn)煙氣余熱利用、提高電除塵效率、減少“石膏雨”、降低煙囪防腐維護費用等多重效果^[1]。

實際運行中,受到各種因素的影響,一級換熱器的換熱管會出現(xiàn)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,一級換熱器堵塞后,其換熱性能將大幅降低,導致吸收的熱量無法滿足二級換熱器出口煙溫要求,進而會對煙囪的安全性產(chǎn)生影響。

1原一級換熱器改造前概況

某電廠600 MW機組于2017年配置了MGGH系統(tǒng),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94℃ ,吸收塔出口設置二級換熱器將脫硫后的凈煙氣由45℃加熱至80℃排放。

2020年后,一級換熱器開始出現(xiàn)換熱管泄漏,在額定負荷工況下煙氣側(cè)阻力最高值可達3 000 pa,遠超設計值。同時,隨著一級換熱器的泄漏和堵塞,電除塵器的除塵效率降低。過高的阻力一方面使得鍋爐引風機出力受限,部分工況下泄漏電除塵進水導致極板和陰極線粘灰造成電場短路,另一方面還會導致電除塵灰斗、輸灰倉泵和管道內(nèi)濕灰粘連,堵塞輸送,且易造成灰?guī)靸?nèi)出現(xiàn)灰塊板結,威脅整個輸灰系統(tǒng)的安全運行,同時使得脫硫塔負荷增大,系統(tǒng)淡水耗量急劇增加。

嚴重時,泄漏量太大甚至會導致MGGH系統(tǒng)退出,造成機組出力受限和煙塵排放超標,觸發(fā)環(huán)保部門處罰機制,給企業(yè)造成重大損失。

2原一級換熱器故障分析

MGGH換熱器的故障主要包括積灰、堵灰、泄漏、腐蝕等,并且經(jīng)常是同時發(fā)生,其故障原因復雜,通常都是由多種因素共同引發(fā),具體到本項目,故障原因分析如下。

2.1入口煙道流場不均勻造成磨損泄漏

一級換熱器布置在除塵器前、空預器后水平煙道上,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,煙道水平段較長,低負荷運行時煙氣流速較低,容易積灰,同時換熱器進口擴散角度較大,煙氣在設備迎風面形成了嚴重渦流和死角,在迎風面下部沉淀積累的灰越來越多,使得迎風面上部的通流面積大大減小,造成滿負荷時局部流速過高,加劇換熱面磨損,導致部分換熱管被磨穿發(fā)生泄漏,縮短了設備使用壽命。一旦發(fā)生泄漏,灰分與熱媒水介質(zhì)迅速混合形成大量黏性灰垢,造成板結性質(zhì)的堵灰,將進一步惡化換熱面流場,從而加劇換熱面磨損,形成惡性循環(huán)。

2.2 酸露點腐蝕造成泄漏

通過對機組2021年入爐煤質(zhì)的分析,發(fā)現(xiàn)相較設計煤種和校核煤種(設計煤種的酸露點溫度約109.1 ℃, 校核煤種為105.2℃),實際煤質(zhì)變化較大,導致煙氣的酸露點溫度升高。由于循環(huán)水進口水溫為75℃左右,因此換熱管進水端壁溫接近75℃ ,低于煙氣酸露點溫度,管壁容易結露形成酸液,發(fā)生低溫腐蝕。煙氣中水蒸氣和SO₃、SO₂經(jīng)過化學反應,生成稀硫酸(H₂SO₄),不僅對換熱面產(chǎn)生局部酸露腐蝕,而且水和煙氣中飛灰混合后在換熱管束及肋片上形成板結積灰,使得熱阻進一步增大,壁溫進一步降低,腐蝕和板結情況更加嚴重,逐步形成惡性循環(huán),加劇局部腐蝕和局部堵灰,其中局部堵灰又形成煙氣“走廊”而加劇局部磨損,由此,換熱面最終出現(xiàn)兩種后果:腐蝕泄漏和磨損泄漏。泄漏的循環(huán)水又與煙氣中的飛灰迅速混合形成大量黏性灰垢,造成大面積堵灰問題。

2.3換熱器選型及布置的影響

原一級換熱器采用H型翅片管橫向布置,換熱管排翅頂間距5 mm,翅片間距15 mm。由于翅片間距只有15 mm,灰分的附著面積大大增加,而且翅片表面粗糙,前后管排的翅片很難做到對齊。兩排H型翅片管間存在間隙,空間的不連續(xù)導致該區(qū)域附近流動紊亂度增加,一旦整個換熱管束出現(xiàn)局部壁溫過低,或者流場不好,將迅速使得該區(qū)域產(chǎn)生冷凝水,并與煙氣中的灰分發(fā)生混合而形成粘結性的灰垢,容易粘附在H型翅片兩側(cè)狹長的通道,短時間內(nèi)完全堵死通道,并逐漸從小迎風面積發(fā)展至大迎風面積,導致?lián)Q熱元件的嚴重腐蝕和磨損。

2.4煙道漏風造成局部受熱面壁溫過低形成低溫腐蝕和堵灰

由于安裝時,煙道焊接沒有密封好,外部冷空氣漏進煙道剛好對著受熱面,使得受熱面局部壁溫過低形成低溫腐蝕,長時間累積后該位置最終因腐蝕而泄漏,泄漏的介質(zhì)與灰分迅速混合形成大量黏性灰垢,導致大面積堵灰,且泄漏的介質(zhì)與灰分中的腐蝕成分形成了稀硫酸,又造成附近其他本沒有腐蝕條件的換熱元件也發(fā)生腐蝕,形成惡性循環(huán)。

2.5煙氣中灰分顆粒性質(zhì)造成受熱面過快磨損失效

觀察煙道內(nèi)積灰發(fā)現(xiàn),迎風側(cè)積灰顆粒直徑較大,灰粒比較堅硬,而其他電廠的鍋爐尾部灰粒較細軟,堅硬的灰粒造成換熱器過快磨損失效。

2.6脫硝氨逃逸引起硫酸氫銨結露導致沾污腐蝕

脫硝工序中部分氨未與氮氧化物發(fā)生反應而隨著煙氣流出,產(chǎn)生氨逃逸,生成硫酸氫銨。硫酸氫銨是一種黏稠的物質(zhì),具有吸濕性,露點溫度為147℃ ,粘附在換熱管表面吸附煙氣中的水分及飛灰,長期累積會使換熱器堵塞嚴重。本項目發(fā)生嚴重積灰的2、3號煙道煙氣入口溫度為143~145℃ ,十分接近硫酸氫銨結露溫度點,同時,換熱器煙氣進口端管壁溫度為125~130℃ ,比硫酸氫銨結露溫度低10~20℃ ,煙氣中的硫酸氫銨極易結露粘附在換熱管表面,從而吸附煙氣中的水分及飛灰,形成惡性循環(huán),造成換熱器嚴重堵塞,并對換熱器產(chǎn)生腐蝕。

3 故障解決對策

針對上述故障原因分析,提出相應的解決對策如下:

1)通過CFD進行氣流分布模擬,根據(jù)模擬結果加裝導流板改善煙氣流場,使其趨于均衡。

2)換熱元件采用ND鋼或采用普通鋼加防腐防磨涂層,提高耐酸露腐蝕能力。此外,換熱元件可采用熱管型式,利用熱管壁溫可調(diào)的特性,優(yōu)化設計換熱管冷凝段與蒸發(fā)段的面積比,確保換熱管壁溫在有限腐蝕范圍內(nèi)。

3)選用新型高效的換熱元件,如采用三維變空間高效管(簡稱“三維管”)作為換熱元件,優(yōu)化換熱器管排布置及總體結構設計,選擇合適的設計流速,提高MGGH設備本身對機組負荷變化的適應性,進而從根本上改善設備低負荷積灰堵灰、高負荷磨損泄漏以及腐蝕惡性循環(huán)的情況。

4)針對煙道漏風問題,安裝煙道時嚴格檢查焊接密封性,確保不漏風。

5)針對因脫硝氨逃逸引起的硫酸氫銨結露沾污腐蝕問題,通過增設智能監(jiān)控模塊,增加運行優(yōu)化控制調(diào)節(jié)手段,實現(xiàn)精準噴氨,改善空氣預熱器及 MGGH的運行條件,提高鍋爐尾部煙氣系統(tǒng)及設備對煤質(zhì)變化及調(diào)峰負荷變化的適應性,并配合MGGH 改造方案同步實施,這也是解決本項目痛點的一體化有效措施之一。

4 三維管應用于一級換熱器的改造方案

針對MGGH一級換熱器及同類換熱器的故障痛點,行業(yè)內(nèi)迫切需要一種改進的換熱器結構,其中耐磨損、不易泄漏、抗積灰能力好、換熱性能高的換熱元件非常關鍵。

4.1 三維管介紹

如圖1所示,三維管是一種三維空間螺旋狀變化的異型管,是通過內(nèi)外流體各自不斷旋轉(zhuǎn)混合并破壞靠近壁面的傳熱邊界層,形成二次流來強化換熱。同時,其具有三維變空間、變截面、多通道的特性,不僅使得由三維管組成的管束流場高度均勻無死角、無渦 流,且能使流體與壁面接觸成為摩擦流(常規(guī)換熱管為碰撞流),大大降低了流體的流動阻力和磨損率^[2]。

4.2 改造方案分析

一級換熱器采用三維管作為重力熱管的吸熱元件,構成新型三維重力熱管技術,這樣既可以利用三維管煙氣側(cè)強化傳熱、抗積灰、抗磨損、抗腐蝕等優(yōu)點,又可以結合熱管內(nèi)高效熱傳導、遠距離熱傳輸、不導致大規(guī)模泄漏等特性,有效解決積灰、磨損和泄漏問題。三維重力熱管原理如圖2所示。

如圖3所示,一級換熱器高、低溫端均采用三維重力熱管橫向布置。每一根熱管都是獨立的,管內(nèi)工質(zhì)互不相通,相鄰熱管相互間不串漏。吸熱端位于水

平煙道,放熱端位于煙道外,吸熱端與放熱端被煙道隔板隔開,為第一道隔離層。同時放熱端被水套管包裹,冷卻水在熱管基管的外壁面和水套管內(nèi)壁面之間流通,水套管和熱管基管焊接后將冷卻水隔離在煙道隔板的上端,為第二道隔離層。因此,此方案可實現(xiàn)冷凝水與煙氣的雙重物理隔離,當MGGH系統(tǒng)循環(huán)水泄漏時,水側(cè)的冷卻水無法進入煙道,徹底杜絕了冷卻水向煙道泄漏的安全隱患,解決了MGGH 系統(tǒng)循環(huán)水泄漏引發(fā)的次生問題^[3]。

經(jīng)設計計算,雖然三維管因為加強了管內(nèi)外流體的擾動,具有換熱系數(shù)高[三維管換熱系數(shù)高達65 W/(m² ?℃)],抗積灰性能、抗硫酸氫銨粘附性能優(yōu)異的典型特征,但其單根換熱面積小,本次改造一級換熱器、二級換熱器出口煙溫參照原設計參數(shù),如全部采用三維管布置,將存在設備占地面積大,現(xiàn)有場地無法滿足布置要求的問題。

針對目前燃煤機組多數(shù)存在硫酸氫銨粘附空預器及一級換熱器、換熱器前排翅片管磨損較為嚴重的情況,提出基于以上方案的優(yōu)化方案,即高溫段迎風面前四排采用三維管,其余采用U型開齒翅片管熱管的組合形式。該優(yōu)化方案具有下述優(yōu)點:

1)在迎風面前四排布置三維管,可以起到傳統(tǒng)防磨假管的作用,同時將原本不參與換熱的假管替換為高效換熱的熱管,技術經(jīng)濟性更好。2)將低溫循環(huán)水先引入三維管加熱,加熱后的循環(huán)水再進入U型開齒翅片管熱管繼續(xù)加熱,可充分利用三維管換熱系數(shù)

高的特性,通過增加三維管的對數(shù)平均溫差,實現(xiàn)快速降溫。經(jīng)理論計算,布置四排三維管可實現(xiàn)4~5℃的降溫幅度。3)錯列布置三維管,通過有效組合三維變空間的特性,實現(xiàn)高動能、高濃度粉塵的高效攔截,減輕后續(xù)U型開齒翅片管熱管的磨損和積灰。4)三維 管與U型開齒翅片管熱管耦合布置,占地小,阻力小,設備投資大幅降低,技術經(jīng)濟性更佳。5)考慮到本項目主要須滿足二級換熱器溫升要求,經(jīng)熱平衡計算,一級換熱器進口煙溫從135℃降至103℃即可滿足該要求,故本優(yōu)化方案的一級換熱器出口煙溫無須降到90~95℃。因此,優(yōu)化方案滿足一級換熱器降溫幅度要求,同時能在現(xiàn)有場地內(nèi)完成熱管一級換熱器的布置,基本實現(xiàn)了支架、基礎不加固,僅進行適應性改造,煙氣阻力小、設備投資合理的目標。

5 結束語

MGGH一級換熱器采用三維管作為重力熱管的吸熱元件,該新型三維重力熱管技術,既可以利用三維管煙氣側(cè)強化傳熱、抗積灰、抗磨損、抗腐蝕等優(yōu) 點,又可以結合熱管內(nèi)高效熱傳導、遠距離熱傳輸、不導致大規(guī)模泄漏等特性,有效解決了積灰、磨損和泄漏問題。

在實際應用中,雖然三維管單根換熱面積小,若所有換熱元件采用三維管難以滿足現(xiàn)有場地布置要求,但本文提出的優(yōu)化方案,即高溫段迎風面前四排采用三維管,其余采用U型開齒翅片管熱管的組合形式,結合二級換熱器溫升需求的合理設置,即可滿足改造要求。

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2024年第21期第19篇