李 楠，張知翔，魏 萌，鄒小剛，車宏偉，徐黨旗，周 飛，姬海民

（1.西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西 西安 710054；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

隨著全面燃煤電廠超低排放的實施和節(jié)能改造工作的推進，低氮燃燒系統(tǒng)、煙氣脫硝系統(tǒng)、濕法脫硫系統(tǒng)、濕式電除塵器系統(tǒng)等得到了廣泛應(yīng)用，上述系統(tǒng)在滿足環(huán)保標(biāo)準的同時，也出現(xiàn)了一些問題。如排煙溫度升高導(dǎo)致的鍋爐效率降低和電除塵器效率降低，脫硝氨逃逸率升高導(dǎo)致的空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）堵塞和阻力升高[1]，濕法脫硫系統(tǒng)水耗升高，廠用電率升高等，這會對機組節(jié)能降耗產(chǎn)生不利影響[2-3]。

由于低溫省煤器系統(tǒng)在回收余熱、節(jié)約能源的同時，也是燃煤電廠超低排放改造的有益補充，能夠配合靜電除塵器改造，提高除塵效率，降低環(huán)保改造成本，具有較好的經(jīng)濟效益，因此在超低排放和節(jié)能改造的大背景下，低溫省煤器系統(tǒng)得到了快速發(fā)展和進一步的優(yōu)化[4-6]。低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)就是在低溫省煤器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用暖風(fēng)器提高空預(yù)器入口風(fēng)溫，緩解氨逃逸率升高導(dǎo)致的空預(yù)器和低溫省煤器阻力升高和堵塞，同時提高鍋爐效率和低溫省煤器節(jié)能收益，對超低排放和節(jié)能改造具有重要意義[7-8]。

根據(jù)暖風(fēng)器熱源的不同，低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)主要有低溫省煤器供暖風(fēng)器系統(tǒng)、凝結(jié)水供暖風(fēng)器系統(tǒng)、低品位抽汽供暖風(fēng)器系統(tǒng)等幾種形式，暖風(fēng)熱源分別為低溫省煤器出口熱水、機組低壓加熱器（低加）系統(tǒng)凝結(jié)水和低品位抽汽，其中低溫省煤器出口熱水和機組低加系統(tǒng)凝結(jié)水應(yīng)用最為廣泛[8-10]。以低溫省煤器出口熱水作為暖風(fēng)器熱源時，暖風(fēng)器入口水溫一般在100~130 ℃之間，出口水溫一般控制在70 ℃左右；以機組低加系統(tǒng)凝結(jié)水作為暖風(fēng)器熱源時，暖風(fēng)器入口水溫一般在80~100 ℃之間，出口水溫一般控制在40 ℃左右。低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)中暖風(fēng)器出口水溫較低，在環(huán)境溫度較低、機組低負荷運行時，暖風(fēng)器出口水溫低、流量小，易出現(xiàn)換熱管凍裂，暖風(fēng)器系統(tǒng)無法投運的情況，威脅系統(tǒng)安全。

暖風(fēng)器防凍問題嚴重影響低溫省煤器與暖風(fēng)器系統(tǒng)在北方地區(qū)的應(yīng)用，需要對其進行深入研究以便低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)的推廣應(yīng)用[11-12]。因此，本文對暖風(fēng)器換熱管凍裂原因和防凍方法進行研究，提出暖風(fēng)器防凍設(shè)計原則，并對內(nèi)蒙古某600 MW機組暖風(fēng)器防凍改造實例進行介紹。

1 暖風(fēng)器換熱管凍裂原因分析及改進方法

1.1 原因分析

低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)中，暖風(fēng)器凍裂位置一般有2處：一處是暖風(fēng)器換熱管彎頭，一處是暖風(fēng)器最下層模塊的最下面幾排換熱管。導(dǎo)致暖風(fēng)器換熱管凍裂的原因可以從暖風(fēng)器結(jié)構(gòu)以及低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計兩個方面來分析[13-14]。

1）暖風(fēng)器結(jié)構(gòu) 暖風(fēng)器換熱管彎頭一般由換熱管拉伸、彎曲制成，壁厚比換熱管薄，以常用規(guī)格Φ38 mm×5 mm換熱管為例，制作成彎頭壁厚約3.5 mm左右，彎頭強度減弱，容易被凍裂；暖風(fēng)器聯(lián)箱采用下進上出方式布置時，下聯(lián)箱彎頭處易存水；暖風(fēng)器大多采用蛇形管且換熱管水平布置，停運時換熱管內(nèi)的水不能有效放盡；暖風(fēng)器模塊數(shù)量設(shè)計較少、集箱進出口方式不合理導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)工質(zhì)分配不均。

2）低溫省煤器與暖風(fēng)器系統(tǒng)設(shè)計 暖風(fēng)器換熱管一般采用水平布置方式，逆流換熱，冷水和冷風(fēng)在換熱器同一側(cè)，在換熱管內(nèi)流量較小或換熱管存水情況下，易導(dǎo)致?lián)Q熱管凍裂；暖風(fēng)器換熱管內(nèi)設(shè)計流速較低，在環(huán)境溫度較低且低負荷工況下，換熱管內(nèi)流量較小，易導(dǎo)致?lián)Q熱管凍裂。

1.2 改進方法

1）暖風(fēng)器結(jié)構(gòu)改進 對暖風(fēng)器換熱管彎頭處進行加厚，采用厚壁管拉伸、彎曲制作彎頭；合理增加暖風(fēng)器模塊數(shù)量，削弱重力對并聯(lián)集箱流量分配的影響，單臺一次風(fēng)暖風(fēng)器模塊數(shù)量不少于3個，單臺二次風(fēng)暖風(fēng)器模塊數(shù)量不少于4個[15]；改變暖風(fēng)器集箱工質(zhì)進出方式，由下進上出方式改為下進下出方式[15-16]；暖風(fēng)器換熱管豎直布置，換熱管與集箱之間直接連接，不設(shè)置彎頭。

2）低溫省煤器與暖風(fēng)器系統(tǒng)設(shè)計改進 提高暖風(fēng)器換熱管內(nèi)設(shè)計工質(zhì)流速，確保滿負荷時暖風(fēng)器換熱管內(nèi)流速不低于1 m/s，低負荷時不低于0.5 m/s，并設(shè)置最低循環(huán)水流量報警；暖風(fēng)器設(shè)置快速放水系統(tǒng)和壓縮空氣吹掃裝置；暖風(fēng)器系統(tǒng)采用順流、逆流切換運行方式等。具體改進措施如下。

在入口大集箱、出口大集箱底部加裝排污閥和排污管道，與各模塊排污管道一起匯入總排污管道，總排污管道上用電動閘閥隔離，集箱排污閥應(yīng)裝在模塊最低點，低于最下方一根換熱管。各集箱、模塊排污閥處于常開狀態(tài)，總排污管道電動閘閥關(guān)閉，在系統(tǒng)故障暖風(fēng)器退出運行時，可以通過快速打開總排污管道電動閘閥將暖風(fēng)器內(nèi)大部分水排盡，避免換熱管大面積結(jié)凍。另外，引一路儀用壓縮空氣至暖風(fēng)器各模塊排汽管道處，并用手動閘閥相隔離，暖風(fēng)器退出運行后及時用壓縮空氣對各模塊進行吹掃，將殘余積水排盡。

在暖風(fēng)器進、出口大集箱進、出水管道上設(shè)置旁路和切換閥門，環(huán)境溫度較低且低負荷工況下，可將暖風(fēng)器由逆流換熱切換為順流換熱，提高暖風(fēng)器出口水溫和工質(zhì)流量，減少暖風(fēng)器最下層模塊的最下面幾排換熱管凍裂風(fēng)險。該方案會導(dǎo)致低溫省煤器與暖風(fēng)器系統(tǒng)節(jié)煤量降低約0.4 g/(kW·h)。

若熱水暖風(fēng)器布置位置前風(fēng)道較長，有充足空間，則考慮在熱水暖風(fēng)器前布置前置蒸汽暖風(fēng)器，蒸汽暖風(fēng)器采用可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，熱源取自機組輔助蒸汽，在環(huán)境溫度較低且低負荷工況下投運，提高熱水暖風(fēng)器入口風(fēng)溫在0 ℃以上[11]。

在暖風(fēng)器入口凝結(jié)水管道上設(shè)置輔助蒸汽加熱器，該方案適用于低加凝結(jié)水作為暖風(fēng)器熱源情況，可以將暖風(fēng)器入口水溫由80~100 ℃提高至100~130 ℃，對提高暖風(fēng)器出口水溫和減少換熱管凍裂風(fēng)險有一定作用。

從空預(yù)器出口風(fēng)道引一部分熱風(fēng)至一次風(fēng)機或送風(fēng)機入口，在環(huán)境溫度較低且低負荷工況下投運，提高暖風(fēng)器入口風(fēng)溫到0 ℃以上。該方案通常適用于5%以內(nèi)的循環(huán)風(fēng)量，循環(huán)風(fēng)量大會導(dǎo)致一次風(fēng)機或送風(fēng)機出力不足，鍋爐效率降低。由于采用熱風(fēng)再循環(huán)方式后，暖風(fēng)器入口冷風(fēng)煙塵質(zhì)量濃度可達10~50 mg/m3，暖風(fēng)器受熱面存在積灰和磨損風(fēng)險，因此該方案適用于橫向節(jié)距和翅片節(jié)距較大的H型翅片管暖風(fēng)器，不適用于翅片節(jié)距較小的螺旋翅片管暖風(fēng)器和采用小型翅片的H型翅片管暖風(fēng)器。采用熱風(fēng)再循環(huán)方式提高暖風(fēng)器入口風(fēng)溫時，需在暖風(fēng)器受熱面前設(shè)置聲波吹灰器。

針對北方地區(qū)有條件的電廠，可采用室內(nèi)室外混合進風(fēng)的方式提高暖風(fēng)器入口風(fēng)溫。對于原冬季采用室內(nèi)取風(fēng)方式的電廠，可對其室內(nèi)取風(fēng)的風(fēng)道擋板門進行改造，更換為具有中停功能的電動擋板門。由于采用室內(nèi)取風(fēng)方式會增加鍋爐房漏風(fēng)率以及鍋爐本體散熱量，從而增加鍋爐房內(nèi)其他設(shè)備防凍風(fēng)險、降低鍋爐效率，因此采用室內(nèi)取風(fēng)方式提高暖風(fēng)器入口風(fēng)溫前，應(yīng)通過試驗確定室內(nèi)室外混合進風(fēng)時的風(fēng)量比，并以此校核極端工況下能夠滿足暖風(fēng)器安全運行的要求。

對于已經(jīng)投運的低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)，除采用上述改造方案對暖風(fēng)器進行防凍改造外，還可通過以下運行控制方案降低暖風(fēng)器凍裂風(fēng)險：環(huán)境溫度較低時，切除暖風(fēng)器最下層的模塊，提高暖風(fēng)器換熱管內(nèi)工質(zhì)流速和暖風(fēng)器出口水溫；增加循環(huán)水泵頻率，提高循環(huán)水流量和換熱管內(nèi)工質(zhì)流速；冬季起爐時低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)先不投運，待機組負荷高于50%THA時方可投運，投運時前置蒸汽暖風(fēng)器、熱風(fēng)再循環(huán)或室內(nèi)室外混合進風(fēng)均需提前投運；計劃停爐前需提前切除暖風(fēng)器并進行放水操作，同時投運前置蒸汽暖風(fēng)器、熱風(fēng)再循環(huán)或室內(nèi)室外混合進風(fēng)；緊急停爐時需保持循環(huán)水泵處于運行狀態(tài)，盡快切除暖風(fēng)器并進行放水操作。

上述暖風(fēng)器防凍改進方案中，暖風(fēng)器結(jié)構(gòu)上的改進需在低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)改造前進行。系統(tǒng)改進方案中，增設(shè)快速放水系統(tǒng)、增設(shè)壓縮空氣吹掃裝置以及順流、逆流切換運行改造可適用于所有系統(tǒng)；在暖風(fēng)器入口凝結(jié)水管道上設(shè)置輔助蒸汽加熱器適用于凝結(jié)水供暖風(fēng)器系統(tǒng)；前置蒸汽暖風(fēng)器需考慮是否有布置空間；熱風(fēng)再循環(huán)方式需考慮風(fēng)機出力、暖風(fēng)器受熱面型式以及風(fēng)機葉片磨損問題；采用室內(nèi)室外混合取風(fēng)方式需考慮鍋爐房內(nèi)設(shè)備防凍以及室內(nèi)室外風(fēng)量比能否滿足暖風(fēng)器防凍要求。

2 暖風(fēng)器防凍改造

內(nèi)蒙古某600 MW機組低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)于2015年12月投運，低溫省煤器布置在靜電除塵器前水平煙道上，回收機組煙氣余熱；二次風(fēng)暖風(fēng)器熱源采用汽輪機7號低壓加熱器（低加）入口與6號低加入口混合的凝結(jié)水，冷卻后的凝結(jié)水返回至凝結(jié)水泵出口母管至除氧器上水調(diào)節(jié)閥后，受熱面布置于送風(fēng)機出口水平風(fēng)道處。該機組低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 某600 MW機組低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the combined system of low pressure economizer and air heater

由于系統(tǒng)投運時環(huán)境溫度低，暖風(fēng)器防凍準備工作不足，二次風(fēng)暖風(fēng)器最下層模塊換熱管凍裂，影響機組安全運行。根據(jù)分析，導(dǎo)致二次風(fēng)暖風(fēng)器換熱管凍裂的主要原因是二次風(fēng)暖風(fēng)器換熱管為水平布置，受熱面酸洗后換熱管內(nèi)的積水未能放盡，導(dǎo)致?lián)Q熱管凍裂。二次風(fēng)暖風(fēng)器布置方式和受熱面結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示，二次風(fēng)暖風(fēng)器設(shè)計參數(shù)見表1。

圖2 二次風(fēng)暖風(fēng)器布置Fig.2 The layout of secondary air heater

圖3 二次風(fēng)暖風(fēng)器受熱面結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of heating surface of the secondary air heater

表1 原二次風(fēng)暖風(fēng)器設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of the original secondary air heater

為了保證二次風(fēng)暖風(fēng)器退出運行時或者受熱面沖洗后能夠?qū)Q熱管內(nèi)積水排盡，在對該機組二次風(fēng)暖風(fēng)器凍裂的換熱管進行更換后，增設(shè)了快速放水系統(tǒng)和壓縮空氣吹掃系統(tǒng)，具體改造方案如下：1）增設(shè)1個壓縮空氣罐，氣源為機組儀用壓縮空氣，由壓縮空氣母管分別引4路支管至暖風(fēng)器4個模塊集箱凝結(jié)水出口管道，母管和支管分別用手動截止閥隔離，新增1個DN40手動截止閥、4個DN25手動截止閥；2）將暖風(fēng)器模塊排污閥由DN32更換為DN50，在暖風(fēng)器入口大集箱最低處設(shè)置DN100排污閥和排污管道，大集箱和各模塊排污管道一起匯入總排污管道，總排污管道上用手動閘閥隔離。二次風(fēng)暖風(fēng)器快速放水系統(tǒng)和壓縮空氣吹掃系統(tǒng)改造如圖4所示。

圖4 快速放水系統(tǒng)和壓縮空氣吹掃系統(tǒng)Fig.4 The quick drainage system and compressed air purge system

由于布置空間受限，原二次風(fēng)暖風(fēng)器受熱面布置在送風(fēng)機出口水平風(fēng)道處，前置蒸汽暖風(fēng)器布置在鍋爐房零米處易出現(xiàn)疏水不暢等問題，因此不適合采用前置式蒸汽暖風(fēng)器來提高暖風(fēng)器入口風(fēng)溫。該電廠所處地區(qū)環(huán)境溫度最低可達-30 ℃，采用熱風(fēng)再循環(huán)方式時循環(huán)風(fēng)量高，送風(fēng)機出力不足，鍋爐效率降低明顯。且二次風(fēng)暖風(fēng)器為小節(jié)距螺旋翅片管，防堵塞能力弱，不適合采用熱風(fēng)再循環(huán)方式提高暖風(fēng)器入口風(fēng)溫。

采用室內(nèi)室外混合取風(fēng)方式需要取1/3室內(nèi)風(fēng)并加熱至60 ℃后與室外風(fēng)混合，極端工況下將暖風(fēng)器入口風(fēng)溫提高至0 ℃以上，增加發(fā)電煤耗0.53 g/(kW·h)[17-18]。由于該電廠鍋爐房密封效果較差，采用室內(nèi)室外混合取風(fēng)方式導(dǎo)致室內(nèi)負壓升高，漏風(fēng)處管道及設(shè)備結(jié)凍風(fēng)險大，因此不適合采用室內(nèi)室外混合取風(fēng)方式提高暖風(fēng)器入口風(fēng)溫。

因此，在后續(xù)機組低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)改造中，對二次風(fēng)暖風(fēng)器受熱面結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，具體優(yōu)化方案如下：1）換熱管采用豎直布置方式，換熱管與集箱之間直接連接，不設(shè)置彎頭，暖風(fēng)器正下方預(yù)留地坑作為集箱布置位置和焊接工作面；2）沿空氣流動方向，凝結(jié)水分為6個流程，每個小集箱連接3排換熱管，提高換熱管內(nèi)設(shè)計工質(zhì)流速，保證其低負荷時不低于0.5 m/s；3）小集箱之間用2根DN32的聯(lián)絡(luò)管連接，暖風(fēng)器頂部聯(lián)絡(luò)管設(shè)排氣，底部聯(lián)絡(luò)管設(shè)排污，排污管道直接接入地坑或其他指定位置。二次風(fēng)暖風(fēng)器優(yōu)化后的布置方式和受熱面結(jié)構(gòu)分別如圖5、圖6所示，設(shè)計參數(shù)見表2。

圖5 優(yōu)化后的二次風(fēng)暖風(fēng)器布置Fig.5 The optimized layout of the secondary air heater

圖6 優(yōu)化后的二次風(fēng)暖風(fēng)器結(jié)構(gòu)Fig.6 The optimized structure of the secondary air heater

表2 優(yōu)化后二次風(fēng)暖風(fēng)器設(shè)計參數(shù)Tab.2 The optimized design parameters of the secondary air heater

3 防凍設(shè)計原則

在上文暖風(fēng)器換熱管凍裂原因及改進方法分析基礎(chǔ)上，考慮不同機組所處地區(qū)環(huán)境溫度差異以及防凍要求的不同，提出以下暖風(fēng)器防凍設(shè)計原則，為低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)改造參考。

環(huán)境溫度不低于0 ℃時，無需考慮暖風(fēng)器防凍設(shè)計；冬季環(huán)境溫度低于0 ℃時，均需設(shè)置快速放水系統(tǒng)和壓縮空氣吹掃系統(tǒng)；環(huán)境溫度在-10~0 ℃時，一次風(fēng)暖風(fēng)器可不采取防凍措施，二次暖風(fēng)器采用順流、逆流切換運行方式；環(huán)境溫度在-20~-10 ℃時，一次風(fēng)暖風(fēng)器和二次風(fēng)暖風(fēng)器均采用順流、逆流切換運行方式，采用前置蒸汽暖風(fēng)器、熱風(fēng)再循環(huán)方式或室內(nèi)室外混合取風(fēng)方式；環(huán)境溫度在-20 ℃以下時，一次風(fēng)暖風(fēng)器和二次風(fēng)暖風(fēng)器均采用順流、逆流切換運行方式，采用前置蒸汽暖風(fēng)器或熱風(fēng)再循環(huán)方式和室內(nèi)室外混合取風(fēng)方式共用。

4 結(jié) 論

1）在暖風(fēng)器結(jié)構(gòu)上采取加厚彎頭，提高換熱管內(nèi)設(shè)計工質(zhì)流速，增加暖風(fēng)器模塊數(shù)量等方式，以及在低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)中采取設(shè)置快速放水裝置、壓縮空氣吹掃裝置、前置蒸汽暖風(fēng)器，在入口水管道上設(shè)置輔助蒸汽加熱器，熱風(fēng)再循環(huán)，室內(nèi)室外混合取風(fēng)等防凍方式，可以解決低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)中暖風(fēng)器防凍問題。

2）對于已經(jīng)投運的低溫省煤器與暖風(fēng)器聯(lián)合系統(tǒng)，可通過運行控制降低暖風(fēng)器凍裂風(fēng)險。

3）對于不同機組所處地區(qū)環(huán)境溫度差異以及防凍要求的不同，暖風(fēng)器防凍設(shè)計需根據(jù)機組實際情況進行分析選擇。