0    引言

近十年來 ,MGGH系統(tǒng)作為一項節(jié)能環(huán)保技術 ,在火力發(fā)電行業(yè)得到了廣泛的推廣應用。通過MGGH煙氣冷卻器把空預器后的煙溫降低至90 ℃左右 ,可以回收煙氣中熱量 , 高效協(xié)同脫除煙氣中的SO3 , 降低粉塵比電阻值 ,提高電除塵器的除塵效率 。同時 , MGGH煙氣再熱器將煙囪入口的凈煙氣加熱至75 ℃左右 ,可消除白煙并降低煙囪防腐費用。因此 ,MGGH在回收余熱、節(jié)約能源的同時 ,在電站鍋爐環(huán)保提效改造方面也提供了行之有效的解決方案。

現(xiàn)有的MGGH煙氣冷卻器基本都是管殼式翅片管結(jié)構(gòu) ,煙氣走殼側(cè) ,冷卻水走管側(cè) 。近十年來的應用實踐暴露了其3個突出問題[1]: 1)換熱管束及翅片作為MGGH煙氣冷卻器的核心換熱元件 ,在除塵器前的高濃度粉塵環(huán)境下被連續(xù)沖刷運行 , 磨損無法避免 ,造成換熱元件的使用壽命先天少于其他部件 ,雖然采取了多種防磨措施 ,仍無法從根本上解決磨損問題;2)由于煙氣中含有SO3,煙氣降溫過程中凝結(jié)的酸霧會被粉塵吸附 ,并粘附在換熱管上 ,從而造成低溫腐蝕;3)管殼式換熱器管內(nèi)的所有冷卻水都是相通的 ,且冷卻水系統(tǒng)多為開式循環(huán)系統(tǒng) ,一旦某根管因為磨損或腐蝕損壞 , 管內(nèi)大量的冷卻水將源源不斷地向煙氣中泄漏 ,造成煙氣冷卻器積灰堵塞。

上述MGGH煙氣冷卻器泄漏問題嚴重影響了機組的安全運行 ,亦提高了運行維護成本 ,給業(yè)主帶來了較大的困擾 。因此 , 已運行較長時間、性能無法滿足使用要求 ,且已嚴重影響機組安全運行的煙氣冷卻器 ,都面臨著二次改造的問題。

1    MGGH煙氣冷卻器改造技術方案

1.1    傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器改進技術方案

傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器雖然存在泄漏的弊端 ,但通過采取一些改進技術措施來提高抗磨損和抗腐蝕能力 ,可以有效延長換熱器使用壽命。加上傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器換熱系數(shù)高、占用場地空間小、造價低等優(yōu)點 , 目前其在新建和改造項 目 中仍然占據(jù)重要地位。針對傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器的改進 ,現(xiàn)階段主要有以下技術措施:

1)采用CFD流體仿真技術和流線型煙風道技術 ,對煙氣冷卻器及前后煙道的氣流和顆粒流進行模擬 ,根據(jù)模擬結(jié)果對煙道進行優(yōu)化改造 ,合理設置導流板 ,避免產(chǎn)生氣流紊流、渦流等情況 ,從而減輕對換熱管的沖刷磨損[2]。

2)對換熱管采取多種強化防磨措施 ,通過增強換熱管的耐磨性能來延長換熱管的使用壽命 ,主要方法有噴涂防磨涂料、應用新型耐磨換熱管束等。另外 ,在煙氣冷卻器防磨重點部位采用加裝防磨假管、防磨瓦等替代磨損措施 ,也可延長換熱管使用壽命。

3)對換熱器管型進行優(yōu)化 , 如采用整體型螺旋翅片管[3]。整體(軋制)型螺旋翅片管采用厚壁管擠壓而成 ,擠壓的過程相當于二次鍛造 , 因此其材質(zhì)硬度有所增加 ,耐磨性隨之增加 ,壽命加長 。相比于焊接式螺旋翅片管 ,整體式螺旋翅片管無接觸熱阻 ,換熱性能更高。

4)在材料選擇和處理上采取以下措施 [4]: (1)換熱器翅片選用310S或330H不銹鋼; (2)密封墊改用高溫硅橡膠或玻璃鋼墊片; (3)殼體選用低膨脹率的板材 ,如巖棉復合板。

優(yōu)點:采用傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器技術改進方案 ,可以有效延長換熱器使用壽命 ,并且換熱器在結(jié)構(gòu)上與原煙氣冷卻器幾乎完全相同 , 因此對于二次改造項目 ,換熱器底座、支撐鋼結(jié)構(gòu)甚至整個換熱器殼體都無須更換 ,場地適應性好 。此外 ,傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器換熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)工藝成熟 ,因此改造成本相對也比較低。

缺點:傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器技術改進方案并未從根本上解決冷卻水泄漏問題 , 只能起到緩解磨損的作用 ,一旦換熱管出現(xiàn)泄漏 ,仍然會造成煙道積灰堵塞的問題。

1.2    相變換熱式煙氣冷卻器技術方案

相變換熱器的原理最早由上海交通大學的楊本洛教授在1992年申請的專利中提出[5] ,主要用于解決鍋爐排煙溫度過低引起酸露腐蝕的問題 ,在中小型鍋爐中應用廣泛。近些年來 ,隨著配套生產(chǎn)工藝的不斷進步 ,相變換熱器技術也逐步應用于大型鍋爐中。

圖1為相變換熱器工作原理示意圖 ,相變換熱器在結(jié)構(gòu)上一般分為上下兩部分 ,其中下部為吸熱段 ,內(nèi)部有若干排平行排列的換熱管 ,每一排換熱管先通過集合管連接起來 ,然后若干根集合管再并入聯(lián)箱中 ,上部為放熱段 ,一般采用列管式換熱器結(jié)構(gòu) 。相變換熱器的換熱管內(nèi)需加入適量的相變介質(zhì)(如軟化水),吸熱段和放熱段通過軟化水的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量。工作時 ,吸熱段換熱管內(nèi)的軟化水吸收煙氣熱量汽化為飽和蒸汽 ,飽和蒸汽在壓差作用下經(jīng)上升管進入放熱段 , 管內(nèi)蒸汽將熱量傳遞給放熱段外的冷卻水 ,釋放熱量后凝結(jié)為液態(tài)水 ,在重力作用下經(jīng)下降管重新流回吸熱段 ,不斷往復循環(huán) ,實現(xiàn)傳熱[6]。

優(yōu)點:相變換熱式煙氣冷卻器可通過調(diào)節(jié)放熱或吸熱量控制壁面溫度 ,不易產(chǎn)生酸露腐蝕和結(jié)露性結(jié)垢 , 并且排煙溫度可以降到比壁面溫度高10~ 15 ℃ , 回收熱量較多[7]。此外 ,從工作原理可以看出 ,相變換熱器的冷卻水和煙氣是相互獨立的 ,而系統(tǒng)內(nèi)相變介質(zhì)的量是一定的 , 即使換熱管磨損泄漏后 ,也不會造成冷卻水源源不斷地向煙氣中泄漏 , 因此相變換熱器技術應用于MGGH煙氣冷卻器改造中 ,可以較好地解決傳統(tǒng)煙氣冷卻器泄漏后的積灰堵塞問題。

缺點: 由于相變換熱器的相變工質(zhì)都是相通的 ,一旦其中一根管發(fā)生泄漏 ,相變工質(zhì)亦會逐漸泄漏 ,導致?lián)Q熱性能逐漸下降 , 當相變工質(zhì)完全泄漏后 ,換熱器也就徹底失去了換熱性能 。由于設備運行時無法確定具體的泄漏位置 , 因此一般只能等設備停運后再查找泄漏點并進行處理。綜上所述 ,建議相變換熱式煙氣冷卻器在煙氣粉塵濃度低 、流場好等工況環(huán)境下應用 ,不容易產(chǎn)生磨損失效的問題。

1.3    熱管式煙氣冷卻器技術方案

圖2為熱管換熱器工作原理示意圖 ,熱管換熱器和相變換熱器的換熱原理是相同的 , 都是通過相變工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量。不同的是 ,熱管換熱器的吸熱段換熱管是由相對獨立的密閉單根構(gòu)件組成 ,管內(nèi)換熱工質(zhì)互不相通 ,而相變換熱器的吸熱段換熱管是由多根并聯(lián)的密閉管排束構(gòu)件組成 , 管內(nèi)換熱工質(zhì)是相通的。

優(yōu)點:熱管換熱器具有很強的熱傳導能力 ,不僅煙氣和冷卻水是完全隔絕的 ,而且管內(nèi)的換熱工質(zhì)也是相互獨立的 , 因此 ,其中一根管的泄漏不會影響其他管的運行 ,更不會造成冷卻水泄漏到煙氣中 ,從根本上解決了冷卻水泄漏問題。

缺點:在同等設計參數(shù)條件下 ,熱管換熱器所需要的場地空間比傳統(tǒng)管殼式換熱器更大一些 , 設備重量也更重 , 總體來說改造費用大約是傳統(tǒng)管殼式換熱器的1.2倍左右 。此外 ,鋼—水熱管換熱器運行后會產(chǎn)生不凝性氣體 , 需設計特殊結(jié)構(gòu)的封頭 ,在設備投運的3個月至1年內(nèi)進行排氣操作 ,從而排出不凝性氣體。

2    改造應用案例分析

2.1    項目簡介

廣東某電廠為了響應國家節(jié)能減排號召 , 于2015年和2016年分別完成一期2×600 MW兩臺機組煙氣超低排放改造 ,在鍋爐爐后設置了煙氣余熱回收—再熱裝置(即MGGH系統(tǒng))。在機組除塵器前水平煙道設置煙氣冷卻器 , 將除塵器入口煙氣溫度由140 ℃降至85 ℃ ,吸收塔出口設置煙氣再熱器 ,將脫硫后的凈煙氣由46 ℃加熱至72 ℃以上排放。

2021年以來 , 兩臺機組MGGH系統(tǒng)煙氣冷卻器發(fā)生了積灰、磨損、泄漏等問題 , 導致煙氣側(cè)阻力增加較大 ,滿負荷阻力超過1.5 kpa。煙氣冷卻器換熱能力下降 ,使得煙氣再熱器無法吸收到足夠的熱量 ,煙囪入口排煙溫度在高負荷工況下很難維持在72 ℃以上 ,對煙囪運行的安全性產(chǎn)生了較大的影響 , 同時影響了煙囪出口白色煙羽的治理效果 ,造成視覺污染 。為有效緩解煙氣冷卻器積灰、磨損、泄漏等問題帶來的影響 , 電廠在2023年和2024年分別對兩臺機組煙氣冷卻器換熱模塊進行了優(yōu)化改造。

2.2    項目采用的改造方案分析

本項目從以下多方面分析及評估后 , 最終采取的改造方案為熱管式煙氣冷卻器。

1)原煙氣冷卻器采用的是傳統(tǒng)管殼式結(jié)構(gòu) ,換熱管磨損后冷卻水源源不斷地進入煙氣中 ,造成嚴重積灰堵塞 ,不僅需要耗費大量的人力、物力進行清理 ,而且對下部的鋼支架安全性產(chǎn)生極大威脅。鑒于此 , 電廠希望能從根本上解決問題 ,決定不采用傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器改進技術方案。

2)采用相變換熱式煙氣冷卻器可解決冷卻水泄漏問題 ,但存在相變工質(zhì)泄漏后換熱器失效的問題 ,且相變換熱式煙氣冷卻器放熱段和吸熱段需有一定的高差 ,為管內(nèi)相變介質(zhì)的循環(huán)提供動力 ,而本項目原煙氣冷卻器上部有脫硝裝置 ,沒有足夠的場地空間布置放熱段。

3)熱管式煙氣冷卻器從原理上可以杜絕冷卻水泄漏問題 , 并且不存在相變換熱器工質(zhì)泄漏后的失效問題。雖然熱管式換熱器改造成本較高 ,但通過換熱管厚度適當減薄、設計參數(shù)優(yōu)化調(diào)整等措施 ,可使改造成本得以降低 , 并且不影響原MGGH系統(tǒng)使用效果。

2.3    改造內(nèi)容和設計參數(shù)

本項目將原MGGH煙氣冷卻器進行拆除 , 更換為熱管式煙氣冷卻器 ,換熱器的布置位置與原煙氣冷卻器基本相同 。煙氣冷卻器沿煙氣方向分前后兩組換熱器 ,每組換熱器在垂直煙氣方向設置5個換熱分區(qū) ,每個煙道共有10個換熱分區(qū) ,前后兩組換熱器之間預留有檢修通道 。由于煙氣冷卻器上部有脫硝設備 , 吊裝條件較差 , 因此煙氣冷卻器采用特殊的小模塊結(jié)構(gòu) ,單個小模塊重量設計控制在5 t以內(nèi) , 吊裝就位后再拼接形成大模塊。

同時 ,對煙氣冷卻器進口煙道導流進行復核 ,根據(jù)復核結(jié)果設計并替換原有導流裝置 , 從而降低煙氣冷卻器的磨損和泄漏風險。

由于煙氣再熱器已使用多年 ,性能有所下降 ,經(jīng)分析評估 , 改造后的煙氣再熱器出口煙溫高于70 ℃可以緩解煙囪的腐蝕 , 實現(xiàn)煙囪出口 白色煙羽的治理 , 因此煙氣冷卻器的設計參數(shù)也進行了優(yōu)化調(diào)整。 本項 目 1號機組煙氣冷卻器于2023年先改造實施 ,2號機組在1號機組的基礎上對設計方案進行了優(yōu)化調(diào)整 ,包括換熱面積增加、中間煙道和兩側(cè)煙道差異化設計以及設計參數(shù)調(diào)整等。

本項目煙氣冷卻器的設計參數(shù)如表1所示。

2.4    運行狀況分析

1號 、2號機組分別于2023年7月和2024年5月改造完成并正式投運 ,投運至今運行狀況良好 ,運行數(shù)據(jù)基本達標 ,投運一年半后進入煙氣冷卻器內(nèi)部檢查 ,未發(fā)現(xiàn)換熱管明顯磨損、積灰等現(xiàn)象 。據(jù)運行和檢修人員反饋 ,煙氣冷卻器投運后系統(tǒng)調(diào)節(jié)簡便 ,本體也未出現(xiàn)任何需檢修的故障問題 ,與改造前相比 ,設備運行調(diào)節(jié)和檢修工作量大大減少。

經(jīng)第三方性能測試 ,在設計參數(shù)下 , 1號機組煙氣冷卻器出口煙溫為92.5 ℃ ,煙氣阻力為515 pa ,煙氣再熱器出口煙溫為68 .8 ℃ , 基本達到設計要求 。 2號機組增加換熱面積并進行設計優(yōu)化調(diào)整后 ,在設計參數(shù)下 ,煙氣冷卻器出口煙溫為104.9 ℃ ,煙氣阻力為569 pa ,煙氣再熱器出口煙溫為70.3 ℃ ,滿足設計要求。

由于煙氣冷卻器運行過程中機組負荷、煙氣量、煙溫是變化的 , 因此 ,為確保系統(tǒng)高效運行 ,給出以下系統(tǒng)運行維護操作指導:

1)當4臺煙氣冷卻器出口平均煙溫高于設定值十2 ℃時 ,首先減小煙氣冷卻器旁路調(diào)節(jié)閥開度來降低出口煙溫。若旁路調(diào)節(jié)閥已經(jīng)關閉 , 出口煙溫仍高于設定值十2 ℃ ,此時通過提高循環(huán)泵頻率來增加循環(huán)水量 ,進而控制煙冷器出口煙溫降低至設定值。

2)當4臺煙氣冷卻器出口煙溫偏差較大時 ,通過控制每臺煙氣冷卻器入口調(diào)節(jié)閥開度 ,使煙氣冷卻器出口煙溫偏差小于3 ℃ 。

3)加強煙氣冷卻器煙氣側(cè)差壓監(jiān)視 ,報警值為650 pa高報警 ,每8 h對煙氣冷卻器進行一次壓縮空氣吹灰 ,必要時增加吹灰頻率。

4)當煙氣冷卻器運行一段時間后 ,采用紅外成像儀檢測熱管是否產(chǎn)生不凝性氣體 , 并根據(jù)檢測情況進行操作 ,將不凝性氣體排出 ,從而恢復換熱性能。

3   結(jié)束語

傳統(tǒng)管殼式煙氣冷卻器技術改進 、相變換熱式煙氣冷卻器、熱管式煙氣冷卻器均能不同程度地解決現(xiàn)有MGGH煙氣冷卻器泄漏問題 , 燃煤電廠在MGGH煙氣冷卻器改造時 ,可根據(jù)項目特點 ,從使用環(huán)境、改造費用、場地條件等各方面進行綜合對比分析 , 因地制宜地選擇最合適的改造技術方案。熱管式煙氣冷卻器由于能夠徹底解決冷卻水泄漏問題 , 并且通過設計優(yōu)化和降本措施 , 能適應大部分項 目需求 , 因而具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1]  謝慶亮.新型熱管低溫省煤器的開發(fā)應用[J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè) ,2021 (4):54-58.

[2]  葉興聯(lián).兩相流誘發(fā)低溫省煤器磨損的分析與應用[J].中國粉體技術 ,2024 ,30(5):47-56.

[3]  陳曙 ,高燕武.超超臨界火電機組低低溫省煤器的優(yōu)化改造[J]. 電力與能源 ,2023 ,44(1):65-67.

[4]  臧義純 ,張航 ,張洪濤 ,等. 電廠低溫省煤器泄漏問題及解決對策[J]. 中國高新科技 ,2024(3):90-92.

[5]  楊本洛 ,陸勇 ,張善德 ,等.相變換熱器中中間媒體和煙氣之間的傳熱研究[J].江蘇工學院學報 , 1992(1):66-71.

[6]  張明 ,方俊明.相變換熱技術在石油化工加熱爐中的應用研究[J]. 中國設備工程 ,2022(10): 193-195.

[7]  戴世佳 . 相變換熱器技術回收低溫余熱的應用與研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學 ,2018.

《機電信息》第18期第16篇