分离式椭圆热管低压省煤器的研究与应用

分离式椭圆热管低压省煤器的研究与应用

0qfsn-400-2型发电机1、2号机组hg-1.hm3-hm3为亚临界、一次热、单管、平衡通风、自然循环蒸汽包炉，配备cs80、n350、1677、537、537、混音器等亚临界参数、中间故障、单轴、双发动机、双速、复合蒸汽轮机、qfsn-350-2兄弟兄弟兄弟水氢、氢冷却、静态硅治理、三相隐极同步发电。该机组自投产以来,锅炉排烟温度始终高于设计值,夏季排烟温度为160～170℃、冬季排烟温度为150～160℃,设计值为149℃,造成布袋式除尘器中的布袋经常损坏,除尘效率降低,锅炉效率降低,引风机叶片磨损严重,煤耗升高。为降低排烟温度,保证机组安全经济运行,华电招标有限公司设计研发了一种分离式椭圆热管低压省煤器,以改善运行工况,提高经济效益。1椭圆管道和压缩式煤炭装置1.1热管换热器系统简介热管是一种高效传热元件,具有“热的超导体”之称。电站用的钢-水重力热管是将翅片钢管抽成10-4Pa真空,充入一定量的水,密封后制成。由于热管以潜热相变方式传热,有很高的导热性及均温性,组成的热管换热器具有传热性能好、抗烟气酸腐蚀强、漏风极小、防积灰堵灰能力强、磨损轻、寿命长、维护量小、运行可靠性高等特点。分离式热管是对典型热管的一种创新,具有上述普通整体热管的一切优点,可以将其加热段与冷却段分开,且可分片、分组自由布置,实现远距离热交换。椭圆型钢-水热管利用椭圆型翅片管制作而成,与普通圆型翅片管同等条件下相比,其管外迎气流烟气冲刷面积增大,背气流形成的涡流区小,其传热性能可提高20%,阻力可降低40%。1.2空气预热器+低压加热器空气预热器低压省煤器与普通省煤器结构相同,其联结系统(工质侧)不同于锅炉上的其它省煤器,工质进出口联结在汽机热力系统的低压加热区,从某级低压加热器出来的凝结水,部分(并联系统,并在1个或几个低压加热器之间)或全部(串联系统,串在2个低压加热器之间)进入布置在空气预热器后的低压省煤器中加热,加热后的水再返回低压加热器系统。1.3椭圆热管技术分离椭圆热管低压省煤器是将分离式椭圆热管换热原理与低压省煤器原理有机地结合起来,利用排烟余热加热热力系统工质水的新型节能设备。将分离式椭圆热管低压省煤器应用于低压省煤器系统时,分离式椭圆热管换热器吸热段吸收排烟余热,管内介质水吸热发生相变,通过导汽管(上升管)引到放热段,管内蒸汽释放汽化潜热,加热从低压加热区引出的部分或全部凝结水后,通过导液管(下降管)回到吸热段。由于椭圆热管传热性能好,可加大管排间距,降低烟速,使流动阻力更小(400Pa左右),磨损较轻,寿命长。如果出现局部磨漏现象,由于每个热管组都是各自独立的,失效的仅是一部分受热面,就不会发生串流问题而影响锅炉正常运行。2该项目的内部设计根据该厂的运行参数进行计算与分析。2.1计算燃料消耗量设计燃料特性:Cy=41.7%;Hy=3.2%;Oy=9.05%;Ny=0.55%;Sy=0.21%;Ay=15.25%;Wy=29.98%;Vy=41.91%;Qyddy=15535kJ/kg。计算燃料消耗量为209t/h;空气预热器出口处过量空气系数α=1.4;进口烟温为160℃;出口烟温为140℃/135℃/130℃/125℃;进口水温为36.9℃/66.9℃/95.2℃;出口水温为66.9℃/95.2℃/135.8℃;烟气阻力不大于800Pa。2.2烟气量理论空气量V=4.266Nm3/kg;理论烟气量V=6.468Nm3/kg;热管低压省煤器漏风系数Δα=0.01;烟气及空气焓数据如表1所示,工质水焓值如表2所示。2.3系统连接方案设计根据4种不同的出口烟温(140℃、135℃、130℃、125℃,分别设为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)及不同的入出口水温,即低压省煤器所对应的6种系统连接方式(分别与6号、7号、8号低压加热器联接),对6套方案、24个工况进行计算、分析。2.3.1出口水温方案2方案1(并8号低加入出口水温):39.6℃/66.9℃。方案2(并7号低加入出口水温):66.9℃/95.2℃。方案3(并6号低加入出口水温):95.2℃/135.8℃。方案4(并8、7号低加入出口水温):39.6℃/95.2℃。方案5(并7、6号低加入出口水温):66.9℃/135.8℃。方案6(并8、7、6号低加入出口水温):39.6℃/135.8℃。2.3.2出口水温方案2:3.2控制在第一腐蚀区方案7(并6号低加入出口水温):66.9℃/95.2℃(控制在第一腐蚀区)。方案8(并7号低加入出口水温):95.2℃/135.8℃(控制在第二腐蚀区)。热力计算结果如表3—表10所示。3该方案的分析和确定3.1方案3:2+工况以综合考虑现场布置条件、受热面酸蚀情况、机组经济性提高幅度及布袋除尘器安全运行为原则,对设计方案进行分析。方案1、方案4、方案6工况入口水温较低,热管吸热段管壁温度易低于酸露点温度,会造成金属腐蚀,建议不采用。方案2中Ⅰ、Ⅱ工况烟侧受热面积较小,排烟温度偏高(140℃、135℃),易危及布袋除尘器的安全;煤耗降低幅度偏小,建议不采用。Ⅲ、Ⅳ工况比较合适,但工质侧水流量太大,建议不采用。方案3中Ⅰ、Ⅱ工况能满足现场布置要求,但排烟温度偏高(140℃、135℃),危及布袋除尘器的安全,建议不采用。Ⅲ、Ⅳ工况排烟温度降低幅度大,煤耗降低幅度大,但受热面偏大,现场布置困难,烟侧阻力增大,投资增加,建议不采用。方案5中Ⅰ、Ⅱ工况排烟温度偏高,煤耗降低幅度偏小,建议不采用。Ⅳ工况排烟温度降低幅度大,煤耗降低幅度大,但烟侧受热面积大,建议不采用。方案5Ⅲ工况排烟温度降低合理,节煤经济性较好,水流量较小,入口水温低于酸露点温度(比方案1、方案4、方案6的偏高),完全可以利用热管调温特性保证壁温高于露点温度,或者控制金属腐蚀在第Ⅰ腐蚀区,也可在受热面冷端用抗腐蚀ND管材制造,建议采用。方案7为采用普通式椭圆型低压省煤器设计方案,将低压省煤器壁温腐蚀控制在第Ⅱ腐蚀区,设计入口水温必须高于烟气露点,受低压省煤器出口水温接入低加点温度的限制,此方案经济性较低。方案8为采用普通式椭圆型低压省煤器设计方案,将低压省煤器有限腐蚀控制在第Ⅰ腐蚀区,金属壁温低于105℃,高于烟气中水蒸气饱和温度25℃,腐蚀量小于0.2mm/a,所以要求入、出口水温为60～105℃。此方案因水侧换热系数远大于烟气侧,所以金属壁面最低温度近似为进口水温66.9℃,满足第Ⅰ腐蚀区壁温要求,建议选择Ⅰ设计工况,Ⅱ工况因水流量较大不采用。3.2中工况连接a.采用热管式低压省煤器。适合采用方案5中Ⅲ工况,即连接6、7号低加,如图1所示。b.采用普通式低压省煤器。适合采用方案8中Ⅰ工况,即连接6号低加,如图2所示。4烟气侧热管组安装采用方案5中Ⅲ工况热管式低压省煤器设计方案,根据现场条件及设备尺寸,将烟气侧热管组件安装在预热器出口转向后两侧水平烟道(2.1m×8.0m)中,烟道在高度方向扩到4.5m,宽度方向不变,长度方向需要4m。椭圆翅片管选择56mm×38mm×4mm(ϕ48mm×4mm制作),单根长度4.5m,总共4768根,烟侧吸热段受热面布置48排、每排50根,横向节距160mm、纵向节距80mm,结构尺寸8m×4.5m×3.8m,两侧烟道共2台;水侧可设有8个水箱式换热器,水箱可安放在厂房内13m平台或改动后的水平烟道上,烟气侧热管组与水箱换热器用16根蒸汽上升联管和16根液体回流管连接,组成热管低压省煤器系统。安装烟气侧热管组件时,应根据现场条件考虑承载问题。采用方案8中Ⅰ工况普通式低压省煤器设计方案,烟道在高度方向扩到3.5m,宽度方向不变,长度方向需要4m,结构尺寸8m×3.5m×3.1m,两侧烟道共2台,无水箱换热器。5投资预算和经济效益5.1设备重量及投资设备费按1.2万元/1000kg进行计算。热管式低压省煤器:烟气侧椭圆翅片管重量170×103kg;工质侧水箱重量17×103kg;联箱及导汽导液管重量12×103kg。设备重量170+17+12=199×103kg;设备总价1.2×199=238.8万元。普通式低压省煤器:设备重量(椭圆翅片管+联箱)122×103kg;设备总价1.2×122=146.4万元。烟道及支架改造费60万元;设计、试验费10万元;安装费30万元(含安装材料);不可预见费20万元。总计需投资:热管式358.8万元;普通式266.4万元。5.2效率计算5.2.10/133方案5(Ⅲ):ΔB=3.5×5000×350000/106=6125t。方案8(Ⅰ):ΔB=3.0×5000×350000/106=5250t。5.2.2设定5/10.4%节点方案5(Ⅲ):ΔH=500×6125/100004=306.25万元。方案8(Ⅰ):ΔH=500×5250/10