电站锅炉加装低温省煤器的研究

2023-03-05惠岩波

现代制造技术与装备 2023年7期

惠岩波

（宁夏特种设备检验检测院，银川 750001）

节能减排政策的推行对电厂节能工作提出了更高要求。现阶段，各个大型火力发电机组提高蒸汽初参数、降低汽轮机排汽参数等节能方案，受到金属材料和环境温度的多方面限制[1]。通过优化热力系统来减少发电机组的各项热损失成为当前一个有效的节能途径。目前，燃煤发电厂尾部烟气的温度一般在120～130 ℃，而循环流化床形式的发电厂排气温度可以更高，达到150 ℃左右[2]。锅炉过高的排烟温度使得排气热损失在锅炉的各项热损失中占据了极大比例。从锅炉尾部烟道回收烟气的废热，能够提高火力发电厂的热效率。

锅炉烟气余热回收的措施很多，其中扩大锅炉烟道中省煤器和空预器的换热面积较为简单。但是，多数情况下由于空间限制（锅炉尾部烟道空间太小）或者经济效益差，该措施并未被发电厂广泛采用。此外，可以采用气-气热交换器回收烟气余热。加装气-气热交换器后，尾部烟道的高温烟气被用来加热经过脱硫脱硝后的清洁烟气，从而降低排气温度。但是，这种方法不具有节能效果，且经常开启和关闭气-气热交换器会给发电厂的运行带来一些其他方面的负面影响。在除尘器和烟气脱硫装置之间的烟道下游安装低温省煤器不仅具有结构简单、对热力系统影响小的优点，而且可以相对减少煤炭和水的消耗[3]。低温省煤器一般装在锅炉尾部，其水侧管路联结于热力系统凝结水系统。凝结水吸收锅炉排烟余热，降低了排烟温度，温度升高后返回凝结水系统。在布置热力系统时，既要考虑低温省煤器的低温腐蚀、积灰、磨损，也要考虑运行时其对汽轮机抽汽的影响。我国普遍采用螺旋翅片管或者H形翅片管的低温省煤器系统，现已广泛应用于锅炉尾部烟气的余热回收。需要注意的是，加装低温省煤器后，烟气侧的压力损失太高，对于引风机的出力有较高要求，且改造前的风扇可能出现过载问题。

1 低温省煤器在烟气余热回收中的利用

低温省煤器多采用间壁式交叉流换热器，通过热流体与壁面的对流传热、壁面的导热和冷流体与壁面的对流传热3个环节进行热量传递。其中，低温省煤器工质侧的换热为管槽内强制对流换热，烟气侧的换热类型为外部强制对流换热。

一般情况下，低温省煤器安装在锅炉的尾部烟道。凝结水全部或者部分被引出，经过低温省煤器吸收锅炉排烟余热，温度升高后返回凝结水系统。一方面降低了排烟温度，减少了锅炉排烟热损失；另一方面凝结水被加热升温，在维持给水温度不变的情况下，可以相对减少各低加抽汽，从而使汽轮机的蒸汽可以做更多功，提高电厂的热效率[4]。

2 低温省煤器接入热力系统的方式

低温省煤器与管路连接方式不同，其回热系统的热力计算与热经济性有很大差别。低温省煤器系统对整个凝结水系统的影响会因为联结方式的不同而存在较大差别，一般可以分为串联、并联以及混合联结3种。

2.1 串联方式

凝结水从某低压加热器的出口全部引出，经过低温省煤器中的换热面与烟气换热和加热升温后，全部返回后一级的低压加热器入口。从凝结水流动的方向看，加装的低温省煤器串联于两个低压加热器之间，构成凝结水系统不可或缺的一部分。

该接入方式所有的凝结水都要经过低温省煤器进行加热升温，流经低温省煤器的水量很大，可以降低尾部烟气温度。低温省煤器效率高，总体经济效果较好。但是，较安装之前，凝结水要额外通过低温省煤器的管道，因此凝结水系统的水流阻力会相应增加，这就要求凝结水泵的压头也要有所增加。另外，当省煤器发生故障时，该接入方式需要切断全部凝结水系统进行维修，维修较不便。

2.2 并联方式

低温省煤器工质侧凝结水取自于第七低压加热器入口。凝结水在第七低压加热器入口分流，一部分通过第七低压加热器，另一部分通过加装的管路进入低温省煤器。这部分凝结水在低温省煤器中加热升温后在第七加热器的出口与之前的主凝结水汇合。在凝结水系统中，所加装的低温省煤器与低压加热器构成并联形式。该接入方式根据具体的水温条件，与低温省煤器并联的低压加热器可以是一个，也可以是多个。

相较于串联系统，当低温省煤器以并联方式接入热力系统时，由于分流的作用，部分凝结水可以不用经过所并联的低压加热器，而是进入低温省煤器升温。分流所减少的阻力足以补偿增加的低温省煤器管道所带来的阻力，因此对于凝结水泵的扬程并没有较高要求。另外，当系统采取这种联结方式时，低温省煤器系统是一个完全独立的旁路，可以在保证给水的情况下切除，便于停用和维修。然而，该接入方式由于分流导致水流量减少，烟气冷却效果不理想。

2.3 混合联结方式

低温省煤器工质侧的凝结水取自两点，一是八号低压加热器出口，二是七号低压加热器出口。来自两部分的凝结水经混合后，水温处于两者水温之间。混合后的凝结水在低温省煤器经过加热升温后返回凝结水系统。

这种混合联结的方式结合了串联系统和并联系统的特点，依据凝结水系统中各级低加的进、出口温度的差别，通过控制两个引入点引入凝结水的比例，可以有效控制低温省煤器入口的凝结水温度。这样稳定的水温可有效降低低温省煤器管道的低温腐蚀程度，延长设备的使用年限。但是，该联结方式管路连接较为复杂，增加了运行过程的控制参数。此外，与前两种方式相比，低温省煤器入口水温相对较高，为保证烟气余热的利用效果，换热面面积也应相应扩大。

3 低温省煤器的布置方式

锅炉尾部烟道内需要进行除尘、脱硫、脱硝等多种工序，因此低温省煤器在烟道内的布置也有多种方式可供选择。

3.1 低温省煤器布置在除尘器前

这种布置形式具有如下特点。

（1)锅炉尾部烟气可以通过低温省煤器降低20～30 ℃[5]。根据气体状态方程，温度较低的烟气体积也会减小，单位体积内含灰量将增加，可以很大限度提高除尘器的效率。对于考虑安装低温省煤器的新建机组而言，烟气体积的减少将会使低温省煤器之后的烟道截面相应减小，可在设计时减少建筑钢材的消耗，经济效益可观。

（2)随着烟气的体积减小，引风机和脱硫增压风机的出力也可以一定程度上减小，从而进一步减少厂用电的消耗，间接提高效率。

（3）对于许多安装有湿法脱硫装置的发电机组，当温度较低的烟气进入脱硫装置时，脱硫过程中蒸发的水分将会变少，从而可减少脱硫用水消耗。

（4）横掠低温省煤器蛇形管的烟气没有经过除尘，烟气中包含的大量灰尘会造成低温省煤器受热面积灰、磨损甚至堵塞。

3.2 低温省煤器布置在脱硫装置前

低温省煤器的另一种布置方式是将其布置在除尘器与脱硫装置之间的烟道内。这种布置形式有以下几个方面的特点。

（1）烟气经过引风机做功后会有一定的温升。布置于引风机后至脱硫装置之前的低温省煤器可以充分利用引风机带来的烟气温升，提高烟气余热的回收和利用效率。

（2）经过除尘装置的烟气，含尘量将会大幅降低。低温省煤器的工作环境要比前一种布置方式好很多，换热管的积灰与磨损问题会得到极大改善，大大降低了运行风险和运行难度。

（3）对于安装有湿法脱硫装置的发电机组，同样可以在一定限度上节约脱硫用水。

（4）低温省煤器安装于尾部烟道靠后处，因此会离主厂房较远，会增加从低加系统取水的凝结水管长度，需要相关的水泵有足够的压头来克服管道阻力。

3.3 低温省煤器分段布置

低温省煤器还有一种布置方式是将其进行分段布置，即一部分在除尘器之前，另一部分在脱硫装置之前。这种分段布置的方式结合了前两种布置方式的特点，是两种方法优缺点的折中考虑。需要注意，该布置方式的省煤器设计和管路布置非常复杂，会增加不必要的运行难度。

综合3种布置形式，第1种方法将低温省煤器布置在除尘器之前，在废热回收效率、优化除尘效率、减少烟道阻力、增加锅炉总体循环热效率方面表现优良，但存在受热面积积灰、磨损甚至飞灰堵塞等问题，可以通过低温省煤器结构上的设计加以避免。目前，将低温省煤器布置在除尘器前基本满足常规的设计要求，是国内电厂普遍采用的布置方式。

4 加装低温省煤器需要考虑的问题

4.1 低温腐蚀

低温省煤器工质侧的凝结水温度较低，很容易出现低温腐蚀问题。在工程实践中，考虑采用两种方法来防止或者减轻低温省煤器的低温腐蚀。一是设计合理的低温省煤器系统，控制受热面的壁温在允许范围内，使腐蚀速度降低到可以接受的程度。二是低温省煤器的管子选择合适的耐腐蚀材料。对于布置于脱硫装置入口处的低温省煤器，面临酸腐蚀的可能性更多，因此应该选取耐腐蚀性能更好的材料。推荐使用的材料有不锈钢、合金钢和表面经过相应搪瓷处理的碳钢材料等。

4.2 受热面的积灰与磨损

低温省煤器的受热面为连接于进口联箱和出口联箱之间的蛇形管道。低温省煤器的管子可以采用光管、鳍片管或者螺旋肋片管等。非光管的传热面积和传热效果一般优于光管式低温省煤器，但是非光管结构相对复杂，肋片或者鳍片之间容易产生积灰磨损等问题。工程实践结果表明，肋片管的积灰程度与烟气流速和煤质特性具有直接关系，因此在设计低温省煤器时应考虑选择合适的烟气流速，同时选取合理的管道横向节距和纵向节距，以减少积灰与磨损发生的可能性。

锅炉烟气中的灰分对于换热器有诸多不利影响。由于运行时间增长，灰分会污染受热面，增加换热面的污垢热阻，影响换热器的传热效率，严重时还会堵塞烟气流通的通道，使烟气侧的流阻增大，导致蛇形管受热不均，甚至影响锅炉的安全运行，引起非计划停炉等事故。

为了减轻灰分对于低温省煤器受热面的影响，一般考虑从两个方面加以改善。一方面，在设计低温省煤器时应当考虑采用较高的烟气流速。为了减轻烟气飞灰对管壁的磨损，应当选择耐磨损强的换热面材料。烟气流速不宜过大，一般要求大于10 m·s-1[6]。另一方面，合理布置低温省煤器的吹灰器，确保吹灰器正常工作时可以吹到所有的受热面，不存在盲区。当吹灰器工作时，适当调节低温省煤器的入口烟气挡板，使烟气流通面积减小，增加吹灰器工作时的烟气流速，可使吹灰器的吹灰效果更好。