張洪濤，李吉業(yè)，紀(jì)程，謝玲，王杏

青島達(dá)能環(huán)保設(shè)備股份有限公司，山東青島，266300

0 引言

煙氣深度冷卻器是利用燃煤機(jī)組的排煙余熱進(jìn)行循環(huán)梯級(jí)利用的一種低煙溫?fù)Q熱裝置[1]。目前國(guó)內(nèi)的新建電廠及舊電廠改造都會(huì)在煙氣系統(tǒng)中安裝煙氣深度冷卻器，在加熱冷卻循環(huán)水的同時(shí)，提高電除塵效率，降低引風(fēng)機(jī)功耗，減少脫硫塔水耗，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

由于煙氣深度冷卻器所處的工作環(huán)境惡劣，在運(yùn)行一段時(shí)間之后，煙冷器換熱管的泄漏是一個(gè)非常普遍的問題。造成換熱管泄漏的原因有很多，主要有：煙氣含灰量高對(duì)換熱管磨損加劇，煙氣流速慢導(dǎo)致?lián)Q熱器積灰，煙氣流場(chǎng)不均導(dǎo)致磨損，煙氣中含有硫化物導(dǎo)致?lián)Q熱面腐蝕等等。當(dāng)煙冷器發(fā)生泄漏后，冷卻循環(huán)水與煙氣混合會(huì)加劇設(shè)備的積灰與腐蝕。目前常見的解決辦法是對(duì)發(fā)生泄漏的管排模塊甚至整個(gè)煙氣冷卻器進(jìn)行隔離，該方法會(huì)使煙氣的余熱回收顯著下降，對(duì)電廠的整體效率產(chǎn)生明顯的不利影響。

某電廠的1000MW發(fā)電機(jī)組使用的煙氣深度冷卻器于2022年7月發(fā)生了泄漏現(xiàn)象，本文依托該實(shí)際問題，對(duì)該電廠的煙冷器泄漏原因進(jìn)行了分析，并據(jù)此提出了優(yōu)化措施與方法，在工程上為煙氣深度冷卻器延緩及減輕泄漏影響提供了設(shè)計(jì)思路。

1 某電廠煙氣深度冷卻器運(yùn)行現(xiàn)狀及泄漏原因分析

某電廠的1000MW發(fā)電機(jī)組在建設(shè)之初未安裝煙氣深度冷卻器，該機(jī)組煙氣系統(tǒng)在經(jīng)空預(yù)器后分為6個(gè)水平煙道進(jìn)入電除塵設(shè)備，煙道布置圖如圖1所示。電廠于2015年7月進(jìn)行了煙氣余熱利用系統(tǒng)改造，于空預(yù)器之后、電除塵器之前安裝了煙氣深度冷卻器，單個(gè)煙道煙氣深度冷卻器模塊布置如圖2所示。該煙氣深度冷卻器的換熱管形式為H型翅片管[3]，換熱管材料為ND鋼，管組數(shù)量為10個(gè)，其中包含5個(gè)橫向管組，2個(gè)縱向管組。2個(gè)縱向管組之間直接相連，沒有設(shè)置閥門進(jìn)行隔離。改造完成后設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行7年，于2022年7月在最外側(cè)煙道的高溫段與低溫段發(fā)生了泄漏現(xiàn)象。

圖1 煙道及煙氣深度冷卻器布置圖

圖2 單個(gè)煙道煙氣深度冷卻器模塊布置示意圖

在發(fā)生泄漏后，由于2個(gè)縱向管組之間直接相連，運(yùn)行時(shí)只能將漏水所在管組的2個(gè)縱向模塊一并隔離，隔離的模塊占單臺(tái)設(shè)備換熱模塊的1/5，對(duì)設(shè)備的換熱效果影響明顯。在對(duì)煙氣深度冷卻器的結(jié)構(gòu)及設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行分析后，可得出以下導(dǎo)致泄漏的原因。

1.1 煙道布置不合理導(dǎo)致磨損

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙道布置的特點(diǎn)，在經(jīng)過空預(yù)器后，主煙道被分為6個(gè)平行煙道，而位于最外側(cè)的煙道距離主煙道中心線較遠(yuǎn)，煙道長(zhǎng)度更長(zhǎng)，這會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入該煙道的煙氣流速相對(duì)較慢。當(dāng)煙氣流速過慢時(shí)，煙冷器更容易積灰，從而進(jìn)一步導(dǎo)致了煙道內(nèi)的流場(chǎng)不均，使煙氣易對(duì)換熱管造成局部磨損。該煙冷器的高溫段磨損泄漏正是由此導(dǎo)致的，如圖3所示。

圖3 煙氣深度冷卻器高溫段磨損情況

1.2 低溫段煙氣的腐蝕

根據(jù)煙氣深度冷卻器泄漏點(diǎn)位置照片（如圖4所示），可以看出泄漏位置位于低溫段管壁與翅片的焊接處，泄漏點(diǎn)的形態(tài)為孔狀，是較為典型的腐蝕泄漏。要判斷是否為腐蝕導(dǎo)致的泄漏，首先要對(duì)電廠煤質(zhì)的露點(diǎn)溫度進(jìn)行計(jì)算。該電廠使用煤種的煤質(zhì)資料如表1所示。

表1 電廠煤質(zhì)資料

圖4 換熱管泄漏情況

使用應(yīng)用最廣泛的蘇聯(lián)1973年 鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中推薦的公式進(jìn)行煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算[4]，公式為：

在低溫段，煙氣溫度被降至94℃，該溫度已接近煤種的酸露點(diǎn)，導(dǎo)致煙氣具有一定的腐蝕性，且低溫段入口水溫為70℃，換熱管壁溫低于80℃，煙氣中的SOx容易對(duì)換熱管壁造成腐蝕。此外，在煙氣深度冷卻器制造時(shí)，換熱管與翅片是通過高頻電阻焊的形式組焊而成的，而焊接時(shí)會(huì)導(dǎo)致管壁熔化變薄，所以焊接位置更容易發(fā)生泄漏。

1.3 換熱管壁厚未進(jìn)行區(qū)域化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，該煙氣深度冷卻器存在高溫段的磨損與低溫段腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)由于經(jīng)驗(yàn)不足，沒有充分識(shí)別上述風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，換熱管壁厚度均按照4mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致位于易磨損區(qū)、易腐蝕區(qū)的換熱管使用壽命不足，最后造成了泄漏的發(fā)生。

2 煙氣深度冷卻器改造措施與方法

根據(jù)上述運(yùn)行現(xiàn)狀及泄漏原因分析，提出了以下優(yōu)化措施與方法。

2.1 煙道流場(chǎng)優(yōu)化

為解決不同煙道流場(chǎng)不均現(xiàn)象，可在內(nèi)側(cè)煙道中安裝多孔板，以此增加內(nèi)側(cè)煙道的煙氣阻力，使更多的煙氣流入最外側(cè)煙道中，如此可保證煙氣均勻通過各個(gè)煙道。此外可在煙道中增加導(dǎo)流板，將煙氣進(jìn)行均流，使煙氣均勻通過每臺(tái)煙冷器[5]。

2.2 低溫段換熱管材料優(yōu)化

為解決低溫段煙氣的腐蝕問題，可將低溫段換熱管材質(zhì)由ND鋼更換為更耐腐蝕的316L、2205等不銹鋼，不銹鋼材料已在煙氣余熱利用系統(tǒng)中得到了成熟的應(yīng)用[6]，并在含硫化物的煙氣中表現(xiàn)出了優(yōu)秀的抗腐蝕能力[7]。

2.3 換熱管壁厚區(qū)域化設(shè)計(jì)

針對(duì)煙冷設(shè)備不同區(qū)域的泄漏原因，應(yīng)對(duì)換熱管壁厚進(jìn)行區(qū)域化設(shè)計(jì)：將易磨損區(qū)與易腐蝕區(qū)換熱管壁厚增加為5mm以上，其余部分壁厚仍維持4mm。壁厚的增加僅會(huì)使設(shè)備總重增加3.5%左右，并不會(huì)影響換熱效率，而設(shè)備的使用年限則可得到明顯的延長(zhǎng)且投資成本增加相對(duì)較少。

2.4 換熱模塊細(xì)化

在發(fā)生泄漏后，需對(duì)泄漏模塊進(jìn)行隔離，由于當(dāng)前單個(gè)換熱模塊的換熱面積占比大，對(duì)整體換熱效果的影響較大。針對(duì)此問題，新方案可通過增加閥門對(duì)設(shè)備進(jìn)行模塊細(xì)分，增加獨(dú)立模塊的數(shù)量。由此本文提出了3種方案，每種方案的布置形式詳見圖5至圖7。此外，為進(jìn)一步闡述換熱模塊細(xì)化的收益，對(duì)新舊方案的單個(gè)模塊對(duì)整體換熱影響進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。該機(jī)組煙氣流經(jīng)煙氣深度冷卻器時(shí)的單位時(shí)間放熱量為Q=1.27×108kJ/h，原設(shè)備設(shè)計(jì)最大單位時(shí)間換熱量為Qh=1.42×108kJ/h，設(shè)計(jì)裕量的計(jì)算式為：

圖5 單個(gè)煙道煙冷器模塊布置示意圖（方案1）

代入數(shù)據(jù)后可得原設(shè)計(jì)裕量為11.8%。新舊方案的優(yōu)缺點(diǎn)定性分析以及單個(gè)模塊被隔離后的剩余換熱裕量詳見表2，具體工程項(xiàng)目中可根據(jù)電廠的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

圖6 單個(gè)煙道煙冷器模塊布置示意圖（方案2）

圖7 單個(gè)煙道煙冷器模塊布置示意圖（方案3）

表2 各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 結(jié)論

通過對(duì)某電廠煙氣深度冷卻器項(xiàng)目為背景，分析了該電廠煙氣深度冷卻器發(fā)生泄漏的原因，并據(jù)此提出了延緩及減輕泄漏影響的措施與方法，具體結(jié)論如下：（1）該電廠煙氣深度冷卻器的泄漏主要由煙道布置不合理、高溫段管壁磨損、低溫段煙氣腐蝕、換熱管壁厚未進(jìn)行區(qū)域化設(shè)計(jì)等原因?qū)е碌摹＃?）煙氣深度冷卻器可通過在煙道中增加多孔板與導(dǎo)流板、低溫段換熱管采用316L、2205等不銹鋼、對(duì)換熱管壁厚進(jìn)行區(qū)域化設(shè)計(jì)等措施延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。（3）通過增加閥門來增加煙道內(nèi)的獨(dú)立換熱模塊數(shù)量，可有效地減少泄漏后模塊隔離對(duì)換熱效果造成的影響。

上述措施與方法對(duì)實(shí)際工程中煙氣深度冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。