劉 龍，王廣兵，趙永國(guó)

（國(guó)家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤274032）

0 引言

目前，我國(guó)在線(xiàn)運(yùn)行的300 MW以上機(jī)組的空氣預(yù)熱器絕大部分都是回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，為了滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)環(huán)保指標(biāo)的要求，達(dá)到超低排放，絕大部分機(jī)組都增加了脫硝系統(tǒng)，選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）技術(shù)的投入使傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器堵塞更加嚴(yán)重，定期吹灰和清洗無(wú)法徹底解決堵塞問(wèn)題。由于堵塞問(wèn)題日益嚴(yán)重，使回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器高漏風(fēng)、高差壓、難維護(hù)等問(wèn)題顯得更加突出，同時(shí)也降低了鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[1-3]。為了徹底解決上述問(wèn)題，必須從換熱方式和構(gòu)造上對(duì)空氣預(yù)熱器進(jìn)行徹底改造才可能實(shí)現(xiàn)。管外換熱可以最大限度地增大煙氣流通間隙，降低流通阻力，空氣和煙氣只有在2個(gè)完全隔離的空間中流通才能消除漏風(fēng)[4-6]。針對(duì)目前狀況，本文創(chuàng)造性地提出把熱管技術(shù)應(yīng)用到空氣預(yù)熱器上，并對(duì)空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出自適應(yīng)熱管式空氣預(yù)熱器，下面對(duì)其可行性進(jìn)行分析研究。

1 自適應(yīng)熱管式空氣預(yù)熱器代替回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的可行性分析

1.1 熱管科技發(fā)展概況

熱管是一種等溫性極高的相變換熱元件，熱管之所以高效就在于其利用工質(zhì)潛熱換熱，也就是相變換熱[7-10]。根據(jù)熱管的用途不同，熱管內(nèi)選擇的工質(zhì)也不相同，最典型的工質(zhì)就是水。工業(yè)上最常用、造價(jià)最低的是碳鋼重力自然循環(huán)熱管，隨著科技的進(jìn)步，熱管管壁采用合金材料、雙重高導(dǎo)熱搪瓷工藝和鎳基鉻錳合金滲透工藝生產(chǎn)，使熱管具有抗磨損、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、避免晶間泄漏等特點(diǎn)[11-14]，這就讓熱管應(yīng)用在鍋爐煙道等惡劣的環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)。所謂自適應(yīng)熱管，就是利用負(fù)荷充裝工藝，在特定的工藝中形成一種完全可以根據(jù)熱管熱段熱負(fù)荷的大小，完全由其自身實(shí)現(xiàn)的可變熱量的一種熱超導(dǎo)管。該種熱管以毛細(xì)動(dòng)力結(jié)構(gòu)形成自身的動(dòng)力循環(huán)，實(shí)現(xiàn)純水平狀態(tài)下的高效能傳熱。目前國(guó)內(nèi)這種高效自適應(yīng)熱管技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

1.2 熱管工作原理

超導(dǎo)熱管是依靠其內(nèi)部工質(zhì)在一個(gè)抽成一定真空的封閉殼體中循環(huán)相變而傳遞熱量的裝置。其工作原理是：當(dāng)熱量自高溫?zé)嵩磦魅霟峁軙r(shí)，處于熱管加熱段內(nèi)的工質(zhì)隨即被激活，吸熱汽化變成蒸汽，蒸汽瞬間流向熱管另一端，到達(dá)另一端時(shí)遇冷放出潛熱后凝結(jié)成液體，冷凝液體經(jīng)傳輸段回流到汽化段，循環(huán)相變而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。超導(dǎo)熱管的超強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)是一般金屬的萬(wàn)倍左右，換熱效率高達(dá)98%以上，是任何一種普通熱交換器無(wú)法達(dá)到的。

熱管工作分下面幾個(gè)過(guò)程：管內(nèi)工質(zhì)從吸熱端吸收熱量汽化，汽化了的飽和蒸汽向放熱端流動(dòng)，飽和蒸汽在放熱端冷凝液化放出熱量，冷凝液體回到吸熱端繼續(xù)吸熱汽化。具體情況如圖1所示。

圖1熱管工作原理過(guò)程簡(jiǎn)圖

1.3 自適應(yīng)熱管式空氣預(yù)熱器代替回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器理論上可行性分析

為了從根本上解決上述問(wèn)題，筆者結(jié)合多年對(duì)熱管技術(shù)的理解和研究，提出熱管式空氣預(yù)熱器代替回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的構(gòu)想。首先，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器空間位置比較狹小，其他類(lèi)型的換熱器來(lái)代替回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器在空間布置上很難實(shí)現(xiàn)，熱管為相變換熱元件，具有很高的換熱效率[15-18]，因此高效熱管式空氣預(yù)熱器在空間布置上容易實(shí)現(xiàn)。其次，熱管具有管外換熱、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可以從根本上解決空氣預(yù)熱器存在的漏風(fēng)率高、積灰堵塞、差壓高、耗能大、換熱效果差等問(wèn)題。再次，利用先進(jìn)技術(shù)的自適應(yīng)（即可變導(dǎo)熱）熱管和先進(jìn)的耐磨防腐材料工藝，可以徹底解決回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器存在的低溫腐蝕、磨損嚴(yán)重、排煙溫度不好調(diào)節(jié)等問(wèn)題，不僅節(jié)能降耗，更好地利用煙氣余熱，而且機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性得到改善和提高。

1.4 自適應(yīng)熱管式空氣預(yù)熱器代替回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器技術(shù)上可行性分析

本文的研究?jī)?nèi)容目前在國(guó)內(nèi)尚屬首次。對(duì)于熱管的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)普遍停留在普通熱管技術(shù)的應(yīng)用上，在電站鍋爐和工業(yè)余熱節(jié)能方面，均是以碳鋼—水重力自然循環(huán)熱管為基本傳熱組件的設(shè)備，這類(lèi)工藝水平中生產(chǎn)的熱管，對(duì)于低溫傳熱、防腐、相容性、抗磨工藝考慮的較為粗淺，傳統(tǒng)簡(jiǎn)陋工藝生產(chǎn)的熱管無(wú)論其性能壽命還是其機(jī)械壽命，都已無(wú)法適應(yīng)目前機(jī)組工況的要求。由于脫硝工藝帶來(lái)的下游換熱設(shè)備高黏滯和腐蝕問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家一直尋求解決的問(wèn)題。因此，關(guān)鍵的技術(shù)工藝水準(zhǔn)是尋求一種建立在防止煙氣沖刷磨損、硫酸氫氨黏結(jié)、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的高效能換熱熱管，這種熱管能根據(jù)鍋爐負(fù)荷大小靠自身的特性自動(dòng)調(diào)節(jié)傳熱量的大小，以解決傳統(tǒng)換熱方式的換熱器無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)壁面溫度的問(wèn)題[19-20]。自適應(yīng)熱管作為空氣預(yù)熱器最基本的傳熱單元是最好的選擇。在技術(shù)路線(xiàn)上，就是以自適應(yīng)熱管為基本傳熱元件，熱管采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)工藝生產(chǎn)，即內(nèi)部為了設(shè)備的長(zhǎng)壽命和高效能，將采用對(duì)應(yīng)不同工作溫度區(qū)間的對(duì)應(yīng)工質(zhì)相容性的內(nèi)襯材質(zhì)，外部為了更好適應(yīng)和保證熱管的機(jī)械壽命——抗磨、耐腐蝕、不易黏附，特別是在低溫酸性和濕度較大的環(huán)境中的腐蝕性能，其外部采用雙重高導(dǎo)熱搪瓷工藝和鎳基鉻錳合金滲透工藝生產(chǎn)。對(duì)于該項(xiàng)目中的氣—?dú)鈸Q熱方式的預(yù)熱器，外部將采用高頻獨(dú)立直立翅片以強(qiáng)化傳熱。該項(xiàng)目中的熱管換熱器，將根據(jù)沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向分為高、中、低3個(gè)溫度區(qū)段換熱。對(duì)應(yīng)不同的溫區(qū)，其熱管形式不同。高溫段對(duì)應(yīng)以大功率傳熱和高強(qiáng)度耐磨為技術(shù)基點(diǎn)設(shè)計(jì)研發(fā)；中溫區(qū)段以低控傳熱量為主，中溫末段采用完全意義上的自適應(yīng)熱管為主，因?yàn)闊煔庠诖穗A段將開(kāi)始出現(xiàn)硫酸氫氨相態(tài)的轉(zhuǎn)化，即硫酸氫氨將由氣態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化，開(kāi)始出現(xiàn)飛灰黏結(jié)和附著，既要考慮熱管的表面工藝，更要考慮熱管自身的自適應(yīng)傳熱量，以實(shí)現(xiàn)壁面溫度的自我調(diào)節(jié)，減小黏結(jié)灰的附著力；低溫區(qū)位于煙氣出口區(qū)段，也就是預(yù)熱器的冷空氣進(jìn)口段，這是傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器黏滯堵塞較為嚴(yán)重的區(qū)段。該項(xiàng)目中，在此區(qū)段的熱管完全由適應(yīng)于低溫?fù)Q熱的自適應(yīng)熱管組成。為了減小該區(qū)段的黏滯核心，熱管外的強(qiáng)化傳熱采用一體式外滲透或者雙鍍搪瓷工藝的縱肋翅片作為強(qiáng)化換熱手段。各區(qū)段熱管組構(gòu)成組裝式或者快裝式結(jié)構(gòu)，既便于運(yùn)輸又便于施工安裝，可適用于各種容量的機(jī)組需要。

2 自適應(yīng)熱管空氣預(yù)熱器實(shí)施技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 自適應(yīng)熱管的設(shè)計(jì)研制和生產(chǎn)工藝

自適應(yīng)熱管的生產(chǎn)工藝不同于常規(guī)熱管，換熱量可根據(jù)熱段負(fù)荷變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，不同溫度對(duì)于設(shè)計(jì)和自適應(yīng)惰性氣體充裝量以及工質(zhì)的充裝量有極其嚴(yán)格的要求，該項(xiàng)技術(shù)的突破將對(duì)該項(xiàng)目的成功起著決定性作用。

2.2 耐磨及耐腐蝕技術(shù)

該項(xiàng)目中為了更好地解決耐磨、耐腐蝕、黏結(jié)附著問(wèn)題，采用鎳基合金滲透工藝和雙重高導(dǎo)熱搪瓷工藝將會(huì)成為第2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

2.3 合理的布置方式

在整體設(shè)備中，根據(jù)不同溫度區(qū)采取不同傳熱量的熱管和自適應(yīng)熱管，是本項(xiàng)目的第3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。到目前為止，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的熱管換熱器，除了常規(guī)的粗制工藝形成的重力（虹吸）熱管外，很少甚至沒(méi)有對(duì)自適應(yīng)熱管進(jìn)行深度研究。

2.4 強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)在線(xiàn)運(yùn)行的空氣預(yù)熱器存在的問(wèn)題分析，為了減小風(fēng)阻，減小黏結(jié)附著基點(diǎn)，節(jié)約輔機(jī)電耗，對(duì)預(yù)熱器中煙氣側(cè)的強(qiáng)化傳熱采取不同的結(jié)構(gòu)形式。高溫段采用獨(dú)立直肋高頻焊翅片，中溫區(qū)和低溫區(qū)采用縱肋焊接翅片。

2.5 工藝難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

鎳基合金的滲透和熱管內(nèi)襯與外管的機(jī)械式應(yīng)力復(fù)合以及雙重高導(dǎo)熱鍍搪是本項(xiàng)目中的工藝難點(diǎn)。本項(xiàng)目可能存在的風(fēng)險(xiǎn)就是鎳基合金滲透工藝難度系數(shù)大，可能會(huì)在滲透工藝過(guò)程中花費(fèi)較多精力和時(shí)間，但這是將來(lái)最有競(jìng)爭(zhēng)力的潛在工藝技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的突破會(huì)給電力系統(tǒng)低溫防腐節(jié)能設(shè)備的新工藝帶來(lái)較為廣闊的前景。

3 項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)

a）把熱管作為基本的換熱單元應(yīng)用到空氣預(yù)熱器上是本項(xiàng)目的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，利用熱管的管外換熱特點(diǎn)從根本上解決了煙氣、空氣在換熱器中流動(dòng)間隙小的問(wèn)題，徹底解決了目前空預(yù)器最棘手的堵塞和高壓差問(wèn)題。

b）把自適應(yīng)熱管技術(shù)應(yīng)用到空預(yù)器上是本項(xiàng)目的又一創(chuàng)新點(diǎn)，換熱單元加入部分自適應(yīng)熱管，實(shí)現(xiàn)空預(yù)器換熱量自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排煙溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，使鍋爐排煙溫度一年四季無(wú)論負(fù)荷高低均在設(shè)計(jì)溫度下運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性非常好，甚至可省去暖風(fēng)器和低溫省煤器，進(jìn)一步減少能耗和設(shè)備投資。

通過(guò)對(duì)本次補(bǔ)充勘探的成果進(jìn)行分析可見(jiàn)，QN-06V參數(shù)井預(yù)測(cè)失敗應(yīng)是多種不利的主客觀因素全部巧合的結(jié)果，也是沁南煤層氣施工中較為罕見(jiàn)的一例。通過(guò)QN-06V參數(shù)井施工失敗的教訓(xùn)也得到一些啟示：

c）通過(guò)密封隔板把空預(yù)器分割成2個(gè)獨(dú)立的通道，空氣、煙氣分別在獨(dú)立的通道中流動(dòng)是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的第3個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)空預(yù)器漏風(fēng)率為“零”的目標(biāo)。

4 自適應(yīng)熱管空氣預(yù)熱器的技術(shù)前景和推廣價(jià)值

此項(xiàng)技術(shù)一旦成功實(shí)施，將對(duì)我國(guó)火力發(fā)電廠鍋爐空氣預(yù)熱器帶來(lái)質(zhì)的改變，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 徹底消除漏風(fēng)

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的高漏風(fēng)率是一個(gè)無(wú)法解決的難題，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步加劇，嚴(yán)重影響機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。自適應(yīng)熱管式空氣預(yù)熱器可以徹底解決鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)鍋爐空預(yù)器“零”漏風(fēng)率的目標(biāo)。

4.2 安裝空間小

由于技術(shù)突破，采取管外高效相變換熱技術(shù)，自適應(yīng)熱管空氣預(yù)熱器所需安裝空間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)管式空氣預(yù)熱器，使項(xiàng)目可以利用現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器空間得以改造和實(shí)施。

4.3 徹底解決空預(yù)器堵灰問(wèn)題

在自適應(yīng)熱管空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)中，無(wú)論對(duì)煙氣還是空氣，都是管外換熱，氣體流通空間大，再利用先進(jìn)的耐磨防腐材料工藝，可以從根本上解決因脫硝投運(yùn)SCR系統(tǒng)帶來(lái)的空預(yù)器黏滯、堵塞和低溫腐蝕問(wèn)題，不僅節(jié)能降耗，而且機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性得到改善和提高。

4.4 自動(dòng)調(diào)節(jié)排煙溫度

由于自適應(yīng)熱管技術(shù)的突破，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)熱管傳熱量，甚至可以省去暖風(fēng)器，使鍋爐排煙溫度一年四季自動(dòng)控制在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益和投資回報(bào)率

4.6 可在其他換熱器上廣泛應(yīng)用

自適應(yīng)熱管技術(shù)也可以應(yīng)用在冷油器、暖風(fēng)器、低溫省煤器、GGH等換熱器上。

下面以山東某電廠2號(hào)機(jī)組420 t/h熱管式空氣預(yù)熱器改造實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。山東某電廠2號(hào)機(jī)組420 t/h熱管式空氣預(yù)熱器改造前存在以下問(wèn)題。

a）空氣預(yù)熱器內(nèi)大量積灰、堵灰，嚴(yán)重影響空氣與煙氣的換熱，致使鍋爐效率大幅下降，排煙溫度持續(xù)上升，不得已造成停爐進(jìn)行處理。

b）空氣預(yù)熱器大量漏風(fēng)，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵灰，增加了引、送風(fēng)機(jī)單耗，不得已造成停爐處理。

c）低溫結(jié)露金屬腐蝕，已影響到空氣預(yù)熱器的整體壽命。

改造后解決了以上問(wèn)題并且各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)良，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)能耗大大降低，具體情況見(jiàn)表1。

從改造前后參數(shù)比較可以看出：改造前送風(fēng)機(jī)已達(dá)最大出力，但送風(fēng)量不足，氧量偏低，排煙溫度偏低，再熱汽溫度低，已不能維持滿(mǎn)負(fù)荷出力。改造后，在同樣運(yùn)行工況下，送風(fēng)機(jī)電流平均降低12 A，吸風(fēng)機(jī)電流平均降低8 A，送風(fēng)量、氧量能滿(mǎn)足滿(mǎn)負(fù)荷要求；再熱汽溫度能維持在539℃以上；排煙溫度平均降低3.17℃。從熱試組漏風(fēng)試驗(yàn)看，目前空預(yù)器漏風(fēng)率較低，平均為1.23%，平均降低20.39%；從爐渣情況看，雖然本次改造增加了部分爐膛未燃帶，但目前仍沒(méi)發(fā)現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。

表1空預(yù)器改造前后主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

目前自適應(yīng)熱管式空氣預(yù)熱器在300 MW以上機(jī)組無(wú)應(yīng)用先例，但只要科技工作者共同努力，自適應(yīng)熱管式空氣預(yù)熱器的構(gòu)想和應(yīng)用一定會(huì)實(shí)現(xiàn)，這將形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，其綜合技術(shù)水平將為國(guó)際領(lǐng)先，空氣預(yù)熱器將徹底進(jìn)入零漏風(fēng)、零能耗、零維護(hù)時(shí)代，那將是中國(guó)電力技術(shù)一個(gè)劃時(shí)代的變革和進(jìn)步。