摘要：熱管技術(shù)由于其換熱原理與傳統(tǒng)的間壁式換熱器不同，基于熱管技術(shù)制作的換熱器作為MGGH降溫段，可確保冷卻水不會(huì)泄漏到煙氣中，從而確保MGGH系統(tǒng)高效穩(wěn)定地運(yùn)行。通過對(duì)熱管的技術(shù)特點(diǎn)和內(nèi)部不凝性氣體的問題及采用的處理方法進(jìn)行淺析，并介紹熱管技術(shù)在1000MW機(jī)組MGGH中的成功應(yīng)用案例，以期為其它同類型機(jī)組的改造提供示范意義。

關(guān)鍵詞：1000MW機(jī)組；泄漏；熱管；不凝性氣體；工程應(yīng)用

引言

MGGH是一種利用高溫流體的熱量來加熱低溫流體的換熱設(shè)備。在燃煤機(jī)組中，MGGH的降溫段換熱器通常設(shè)置在鍋爐空氣預(yù)熱器后、電除塵器前，升溫段換熱器則通常設(shè)置在脫硫吸收塔出口，系統(tǒng)中的熱媒水先通過降溫段換熱器吸收煙氣熱量，經(jīng)過循環(huán)流動(dòng)，吸收熱量后的熱媒水在升溫段換熱器對(duì)脫硫塔出來的凈煙氣進(jìn)行加熱，使其溫度從50℃左右升到80℃以上，然后再排入煙囪[1]。

由于降溫段換熱器處于高濃度的煙塵環(huán)境中，傳統(tǒng)的間壁式換熱器在粉塵的長期沖刷磨損下，換熱管不可避免的就會(huì)出現(xiàn)冷卻水泄漏問題，造成煙風(fēng)道積灰堵塞，影響電除塵器安全運(yùn)行。此外，降溫段換熱器一旦積灰堵塞嚴(yán)重，其換熱性能大幅降低，就會(huì)導(dǎo)致吸收的熱量無法滿足升溫段出口煙氣溫度要求，進(jìn)而對(duì)煙囪的安全性產(chǎn)生影響。

1熱管技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用背景

熱管的原理，最早是由美國俄亥俄州通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司（The GeneralMotors Corporation，Ohio，U.S.A）的R.S.Gaugler 在1942年提出的，經(jīng)過眾多學(xué)者的不斷研究，熱管技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中。

我國于20世紀(jì)70年代開始開展熱管的傳熱性能研究，相繼開發(fā)了熱管氣-氣換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器、高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。由于碳鋼-水兩相閉式熱虹吸管的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、制造方便，易于在工業(yè)中推廣應(yīng)用，碳鋼-水相容性的基本解決，使得此類熱管得以廣泛的應(yīng)用，因此我國熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究發(fā)展迅速[2]。

傳統(tǒng)的MGGH降溫段換熱器為間壁式結(jié)構(gòu)，無法避免換熱管磨損后造成的冷卻水泄漏問題。國內(nèi)某知名環(huán)保企業(yè)針對(duì)這一難題，從2019年起著手研究熱管技術(shù)應(yīng)用于降溫段換熱器中，在攻克了一系列的難題后，于2020年底在660MW大型燃煤機(jī)組中得到了成功應(yīng)用，在行業(yè)內(nèi)引起了巨大的反響，使得越來越多的環(huán)保企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)加入到熱管技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用研究中[3]。

2熱管技術(shù)原理

熱管按照管內(nèi)工作介質(zhì)的回流動(dòng)力區(qū)分，可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（又稱重力熱管）、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)力熱管、滲透熱管等。目前，新型的熱管式降溫段換熱器都是采用兩相閉式熱虹吸管，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱管是密閉的，需先在管內(nèi)充入一定量的工作介質(zhì)，然后抽成1.3×（10-1-10-4）Pa的微負(fù)壓，工作時(shí)熱管吸熱段置于煙氣側(cè)，放熱段置于冷卻水側(cè)。當(dāng)高溫?zé)煔鈱?duì)吸熱段進(jìn)行加熱時(shí)，熱管內(nèi)的工質(zhì)吸收汽化潛熱，由液體變?yōu)檎羝诠軆?nèi)一定壓差的作用下，流動(dòng)到放熱段，蒸汽遇到冷的壁面會(huì)凝結(jié)成液體，同時(shí)釋放出汽化潛熱，通過管壁傳給外面的冷卻水，而冷凝后的工質(zhì)在重力作用下流回吸熱段，重新開始蒸發(fā)吸熱過程，周而往復(fù)[4]。

3不凝性氣體的產(chǎn)生及處理方法

碳鋼-水熱管的相容性問題是熱管技術(shù)應(yīng)用需要注意的問題，由于水與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體（主要為H2），破壞了熱管的真空度，導(dǎo)致傳熱性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至失效。由于化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)不可避免地會(huì)有金屬腐蝕過程，且只能抑制或延緩，不可能消除，因此從這個(gè)意義上講，解決碳鋼-水熱管相容性問題的技術(shù)措施可稱之為延壽方法。此外，相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)表明，熱管內(nèi)部的不凝性氣體在初次投運(yùn)后1年內(nèi)會(huì)釋放完畢，之后不會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生，熱管性能趨于穩(wěn)定。

3.1不凝性氣體的產(chǎn)生機(jī)理

鐵與水蒸氣發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)[5]如下所示。

鐵與液體水發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)[5]如下所示。

3.2不凝性氣體的處理方法

3.2.1表面鈍化

表面鈍化有高溫蒸汽表面鈍化和化學(xué)液鈍化2種方法，其目的都是使管壁形成Fe3O4氧化膜鈍化層，阻止碳鋼和水發(fā)生反應(yīng)形成不凝性氣體[6]。表面鈍化的方法可有效地解決不凝性氣體的問題，但要求制造廠必須建設(shè)大型的鈍化液池，成本較為高昂，且廢水處理問題最為棘手，故一般不采用。而如果采用蒸汽鈍化，同樣也會(huì)面臨蒸汽源和生產(chǎn)成本較大的問題。

3.2.2添加緩蝕劑

在工質(zhì)中添加緩蝕劑是為了使管壁表面產(chǎn)生更為均勻與密集的Fe3O4鈍化層[6]，同時(shí)添加緩蝕劑也能較好地解決不凝性氣體的問題。緩蝕劑品種很多，但傳統(tǒng)型緩蝕劑像鉻酸鹽、汞鹽、鋅鹽等有毒性；磷酸鹽、有機(jī)磷酸鹽、多聚磷酸鹽等緩蝕劑含磷化合物和有機(jī)胺等含氮化合物難降解，且易造成水體富營養(yǎng)化，水處理要求高、成本高，現(xiàn)已逐漸限制使用。因此，一般采用陽極型緩蝕劑，其管壁緩蝕效果較好。

3.2.3排放法

排放法是在熱管冷凝段端部裝上排氣閥，當(dāng)采用儀器檢測(cè)出熱管內(nèi)部產(chǎn)生不凝性氣體時(shí)，可打開排氣閥將積累的氫氣排出去，從而恢復(fù)熱管的換熱性能[7]。排放法的核心是排氣閥的結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)合理、密封可靠，且制造費(fèi)用低。

3.2.4滲透法

滲透法是在熱管冷凝端裝上透氫活化金屬層和促氫脫附金屬層，從而形成復(fù)合層，讓所產(chǎn)生的氫氣隨時(shí)滲透出去[8]。滲透法設(shè)計(jì)方案復(fù)雜，需要精密設(shè)備輔助排氣，單根熱管成本大幅增加，由于不凝性氣體實(shí)時(shí)排放，故熱管處于非完全密閉狀態(tài)，長時(shí)間運(yùn)行可能導(dǎo)致熱管工質(zhì)的流失，維護(hù)成本高。

3.2.5在熱管頂部裝吸氫劑

該方法是在熱管制造時(shí)，在熱管冷凝段頂部裝吸氫劑，當(dāng)熱管內(nèi)部產(chǎn)生氫氣時(shí)，吸氫劑與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而減小不凝性氣體的影響[9]。由于受到結(jié)構(gòu)的影響，吸氫劑的量有限，因此在熱管的使用壽命內(nèi)，無法完全吸收產(chǎn)生的氫氣，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造困難。

3.2.6預(yù)留儲(chǔ)氣段

預(yù)留儲(chǔ)氣段的做法是將冷凝段的長度設(shè)計(jì)預(yù)留長一些，用于儲(chǔ)存產(chǎn)生的不凝性氣體，儲(chǔ)氣段本身不考慮參與換熱。由于熱管長度增加，該方法會(huì)增加設(shè)備的制造成本。

4工程應(yīng)用

廣東省某電廠4號(hào)機(jī)組為1000MW超超臨界參數(shù)變壓直流鍋爐，一次再熱，單爐膛，前后墻對(duì)沖燃燒方式，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，擋板調(diào)節(jié)再熱器溫，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架，全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)，露天布置，三分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，Π 型煤粉鍋爐。根據(jù)超低排放的環(huán)保要求，2017 年在電廠4號(hào)機(jī)組配置了MGGH 系統(tǒng)，并在機(jī)組除塵器前水平煙道設(shè)置一級(jí)換熱器將除塵器入口煙氣溫度由135℃降至95.7℃，吸收塔出口設(shè)置二級(jí)換熱器將脫硫后的凈煙氣由46℃加熱至80℃以上排放。

4.1 工程現(xiàn)狀

自MGGH系統(tǒng)投運(yùn)以來，一級(jí)換熱器壓差日益增大，滿負(fù)荷壓差最高值可達(dá)1800Pa，夏季工況由于MGGH 堵灰等問題，導(dǎo)致機(jī)組無法帶滿負(fù)荷。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)一級(jí)換熱器翅片之間存在灰垢堵塞現(xiàn)象，下部堵塞嚴(yán)重，灰垢緊貼基體的部分較硬，管壁局部腐蝕，受熱面整體利用率僅為57.5%。2020年以來，一級(jí)換熱管泄漏更為頻繁，多煙道多模塊同時(shí)泄漏，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電除塵進(jìn)水，影響機(jī)組的煙塵排放。一級(jí)換熱器漏水導(dǎo)致電除塵一電場(chǎng)短路失效，二電場(chǎng)、三電場(chǎng)和四電場(chǎng)無法承擔(dān)輸灰量導(dǎo)致高壓柜跳閘，引起煙塵超標(biāo)。為從根本上解決一級(jí)換熱器積灰、磨損、泄漏等問題，確保煙塵排放不超標(biāo)，降低煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，提高機(jī)組運(yùn)行安全性經(jīng)濟(jì)性，某電廠在2023年初對(duì)4號(hào)機(jī)組一級(jí)換熱器進(jìn)行了優(yōu)化改造。

4.2改造方案

4.2.1改造技術(shù)方案

某電廠4號(hào)機(jī)組一級(jí)換熱器改造采用熱管技術(shù)，將原MGGH一級(jí)換熱器進(jìn)行拆除，并更換為真空熱管換熱器，換熱器的布置位置與原一級(jí)換熱器基本相同。一級(jí)換熱器沿?zé)煔夥较蚍智昂髢山M換熱器，每組換熱器在垂直方向設(shè)置5個(gè)換熱分區(qū)，每個(gè)煙道共有10個(gè)換熱分區(qū)，前后兩組換熱器之間設(shè)有檢修通道。

由于熱管換熱器的結(jié)構(gòu)與原一級(jí)換熱器不同，本次改造采取CFD軟件優(yōu)化空預(yù)器出口至MGGH一級(jí)換熱器入口段的煙道流場(chǎng)，避免出現(xiàn)煙氣走廊、煙氣偏流及產(chǎn)生煙氣渦流，通過加裝氣流均布裝置等措施，確保加裝熱管換熱器后各煙道流量均衡。

本次改造不改變?cè)泄に囅到y(tǒng)，僅對(duì)一級(jí)換熱器改造范圍內(nèi)涉及到的管道進(jìn)行拆除，并根據(jù)新的一級(jí)換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行管道局部改造。真空熱管換熱器的整體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

4.2.2不凝性氣體處理方案

本次改造針對(duì)不凝性氣體的處理采用排放法，即在熱管冷凝段端部裝上排氣閥，當(dāng)采用儀器檢測(cè)出熱管內(nèi)部產(chǎn)生不凝性氣體時(shí)，打開排氣閥將積累的氫氣排出去。

4.2.3運(yùn)行效果

某電廠4號(hào)機(jī)組一級(jí)換熱器在2023年4月初改造完成并正式投運(yùn)，根據(jù)第三方性能測(cè)試結(jié)果，改造后4號(hào)機(jī)組滿足“一級(jí)換熱器出口煙溫低于103℃、煙氣側(cè)阻力低于500Pa、二級(jí)換熱器出口煙溫高于或等于80℃”等各項(xiàng)性能保證值的要求，詳見表2。

4.2.4不凝性氣體處理效果

改造后的某電廠4號(hào)機(jī)組一級(jí)換熱器自2023年4月投運(yùn)以來，由于換熱管內(nèi)不斷地產(chǎn)生不凝性氣體，一級(jí)換熱器的換熱性能逐漸下降，如圖2所示。剛投運(yùn)時(shí)，一級(jí)換熱器的煙氣平均降溫幅度為38.5℃，冷卻水的平均溫升為37.2℃；到7月，煙氣平均降溫幅度下降至31.6℃，冷卻水的平均溫升也下降至28.9℃。經(jīng)過在線排氣釋放不凝性氣體后，一級(jí)換熱器的換熱性能恢復(fù)到初始投運(yùn)水平，之后2個(gè)月運(yùn)行參數(shù)基本沒有發(fā)生變化，換熱性能趨于穩(wěn)定。

結(jié)語

熱管換熱技術(shù)從工作原理上能很好地解決傳統(tǒng)MGGH降溫段換熱器及同類設(shè)備的磨損泄漏問題，且熱管換熱器的布置場(chǎng)地與傳統(tǒng)換熱器基本相當(dāng)，因此不僅適用于MGGH降溫段換熱器及同類設(shè)備的二次改造，同時(shí)也適用于新機(jī)組、新設(shè)備。對(duì)于熱管內(nèi)部不凝性氣體的處理，上文所述的排放法既能夠有效地解決，也能確保設(shè)備的換熱性能。目前，熱管技術(shù)已在1000MW大型機(jī)組上成功應(yīng)用，表明該技術(shù)已經(jīng)克服了大型化應(yīng)用的系列難題，為其它同類型機(jī)組的改造提供了示范意義，值得大力推廣。

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作者簡介

余春生（1981—），男，漢族，廣東河源人，工程師，大學(xué)本科，主要從事火電廠環(huán)保設(shè)備檢修管理工作。