整体(轧制)型螺旋翅片管应用于锅炉对流传热部件的研究

2013-12-07刘新合周树茂

中国设备工程 2013年6期

刘新合，周树茂

（1．华电郑州机械设计研究院有限公司，河南郑州 450015；2．河南省赛福尔（Sapphire）科技有限公司, 河南郑州 450000）

电站锅炉省煤器、低温省煤器，余热锅炉省煤器、蒸发器等均属于对流传热部件，其结构型式为多排蛇形管束，安装布置于锅炉尾部烟道内，通过吸收烟气余热，预热锅炉给水和蒸发蒸汽。为最大限度吸收利用烟气余热，越来越多地采用增加对流传热管束烟气侧面积的方式进行强化传热。目前，用于制作省煤器等强化传热部件的管束元件，有H型翅片管、高频焊接翅片管和整体（轧制）型螺旋翅片管等。由于后者面世时间较短，业内对其性能特点、设计选型方法以及传热效果认识较少。以下对整体（轧制）型螺旋翅片管的技术性能、基于此管的热力计算方法及工程实例效果进行论述。

一、整体（轧制）型螺旋翅片管及性能特点

1.整体（轧制）型螺旋翅片管是采用多棍滚压轧制技术，坯管经中频加热后连续轧制而成。翅片管表面平整光滑，翅片与基管R圆角过渡；金相组织为铁素体+珠光体，组织致密，金属文理连续。结构如图1所示。

2.性能特点。

(1)传热效率高

轧制出的翅片使传热管表面积增加5倍以上。翅片剖面呈梯形，符合传热梯度规律。翅片和基管一体，不存在H型翅片管、高频焊接翅片管焊缝所造成的热阻。所以整体（轧制）型螺旋翅片管比其他型式传热管具有更高的传热效率。

影响对流传热效率的另一个主要因素，是传热管束的灰污厚度。对于整体（轧制）型螺旋翅片管，当烟气气流横向冲刷管束时，由于翅片与基管的R圆角过渡，在齿槽间会形成涡旋，加之螺旋翅片根部所形成的轴向风速，使得整体（轧制）型螺旋翅片管具有一定的自清作用，不易积灰。

图2是西安交通大学多相流国家实验室《气流横向冲刷管束时飞灰沉积特性的试验研究》关于整体（轧制）型螺旋翅片管、H型翅片管、针翅管的飞灰沉积特性试验研究成果。

从图2得出结论：错列布置的整体（轧制）型螺旋翅片管、顺列布置的整体（轧制）型螺旋翅片管积灰轻微；其次是错列、顺列布置的H型翅片管；针翅管积灰严重。

(2)使用寿命长

以20#（GB3087）为例，经过轧制加工后，整体（轧制）型螺旋翅片管的机械强度σs由原坯管的260MP提高到450MP，材料表面硬度由HV170提高到HV250。由此，整体（轧制）型翅片管省煤器比H型翅片管、高频焊翅片管、光管具有更强的承压能力和更高的耐磨性能，使用寿命显著提高。

另据相关研究，烟气气流横向冲刷对流传热管束时，管束磨损与烟气流速ω的3.22次方成正比，因此降低烟气流速是解决管束磨损的有效途径之一。在吸热量保持不变的情况下，由于整体(轧制)型螺旋翅片管具有强化传热的功能，可大幅度减少传热管束的横向和纵向管排数量，因此烟气流速有所降低，磨损量减小。如朝阳发电厂2#炉省煤器改造后，在省煤器吸热量有所增加的情况下，烟速降低了0.7m/s，大大减轻了省煤器的磨损，提高了省煤器的使用寿命。

二、整体（轧制）型螺旋翅片管热力计算方法及管束布置

1.以省煤器为例，其计算步骤如下。

(1)已知省煤器进口烟气温度，并假定省煤器烟气出口温度，查表求出其焓值，然后按烟气侧热平衡方程式Qrp=φ(I"-I'+△αI0lf)求出烟气放热量。其中φ为锅炉保热系数，I"和I'分别为省煤器进出口烟气焓值，△α为省煤器漏风系数，I0lf为环境温度下空气焓值。

(2)已知省煤器工质进口温度，按工质侧热平衡式求出工质出口焓值及温度。

(3)根据烟气和工质的进出口温度及烟道尺寸情况大致布置受热面，可求出工质及烟气的平均温压△T、烟气和工质的流速及受热面积H等。

(4)计算省煤器受热面的传热系数K。

(5)根据传热方程式确定受热面的传热量Qcr，Qcr=K×H×△T。

对于省煤器，△Q＜2%时，迭代计算完毕。

上述(4)对流受热面的传热系数计算仍沿用原苏联锅炉机组热力计算标准方法，其公式为

式中：K——传热系数，kW/(m2·K)；

α1zs、α2zs——烟气和工质侧折算放热系数，kW/(m2·K)；

H、Hn——烟气和工质侧总比表面积，m2。

由于锅炉受热面中烟气侧热阻总是远大于工质侧，因此，按照标准方法计算省煤器时，将1/α2zs忽略。此时，传热系数K=α1zs。

而α1zs取决于烟气对管壁的对流放热系数αd、翅片参数及灰垢层热阻，公式如下

式中：α1zs——烟气侧折算放热系数，kW/(m2·K)；

Hlb/H——烟气侧翅片表面积与烟气侧全部表面积之比；

E——表征翅片传热量有效程度的参数，也称翅片传热效率。其值取决于翅片形状、厚度以及材质的热导率等因素；

μ——沿高度翅片厚度变化的影响系数；

Hg/H——管子无翅片部分面积与烟气侧全部表面积之比，Hg/H=1-Hlb/H；

φ1b——考虑翅片表面放热不均匀的影响系数，对于整体（轧制）型螺旋翅片管，建议取0.85；

αd——翅片表面对流放热系数，省煤器热力计算时仅考虑对流传热，kW/(m2·K)；

ξ——污染系数，(m2·K)/kW。根据上海理工大学、西安交通大学等相关机构和人员对整体(轧制)型螺旋翅片管灰污形成机理研究和试验，拟合了该管的污染系数公式

式中：ω——烟气流速m/s。

2.管束布置型式。

根据研究成果和工程实践，使用整体(轧制)型螺旋翅片管制作的传热管束，在烟道风场中采用错列布置，更有利于烟气气流的均匀，避免烟气走廊的产生。同时可有效减轻灰污沉积。

三、应用实例及效果

某75t/h循环流化床锅炉省煤器改造所选用整体(轧制)型螺旋翅片管结构参数见图3。按照上述计算步骤和锅炉实际空间要求，整体(轧制)型螺旋翅片管省煤器管束采用错排布置，横向17排，节距122mm，纵向12排，节距75mm，管子受烟气横向冲刷面积1 619.9m2，烟气流速ω约7.79m/s，计算传热系数K=α1zs=0.055 8kW/(m2·K)。

该锅炉省煤器改造安装后于2012年8月开始运行至今，改造前后省煤器运行数据见表1。