谢庆亮
（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）
摘要：燃煤电厂常规管壳式低温省煤器已有大量应用，但其磨损泄漏对机组的安全稳定运行和污染物排放都造成了很大的影响，市场上亟需一种可实现无冷却水泄漏的换热器升级改造方案。 本文从热管式低温省煤器的技术原理出发，分析了其替代原有低温省煤器的技术手段的可行性，并以某660MW机组应用新型热管低温省煤器为例进行了介绍。运行效果表明，热管低温省煤器是一种可靠的低温省煤器升级改造技术，为其他燃煤电厂烟气余热利用装置的安全运行升级 改造提供了借鉴。
关键词：燃煤电厂；低温省煤器；热管；冷却水泄漏
中图分类号：X701 文献标志码：A 文章编号：1006-5377（2021）04-0054-05
近十年来，燃煤电厂锅炉空预器后的低温省煤器作为一项节能设备，已得到广泛的推广应用。通过低温省煤器将空预器后的烟温从120℃～150℃降低至
90℃左右，可降低烟气中粉尘的比电阻值，稳定提高电除尘器的除尘效率[1]，协同脱除烟气中的SO3、Hg
等污染物并回收烟气余热，降低机组煤耗。
现有的低温省煤器基本都是管壳式翅片管结构，烟气走壳侧，冷却水走管侧，近十年来的应用实践暴露了两个突出问题：
（1）在低温省煤器主要组成设备中，作为核心换热元件的换热管束及翅片，在除尘器前的高浓度粉尘环境下被连续冲刷，换热元件的磨损无法避免，造成换热元件的使用寿命短，虽然采取了多种强化防磨措施，但仍无法从根本上解决磨损问题。
（2）管壳式低温省煤器所有管内的冷却水都是相通的，且冷却水系统多为开式循环系统，一旦某根管因为磨损损坏，管内大量冷却水将源源不断向烟气中泄漏，造成低温省煤器积灰堵塞，严重影响机组的安全运行。
通过调研发现，目前行业内布置于电除尘器前的传统低温省煤器出现泄漏的周期为2～3年。低温省煤器换热管束泄漏会引发诸多问题：1）换热器堵灰及电除尘器灰斗输灰不畅会影响机组的安全运行；
2）换热器局部或全部模块退出运行会导致降温幅度不足，节煤效果大打折扣，电除尘器的除尘效率
下降，
除尘器后的环保设备的工作环境恶化，影响超低排放效果；3）烟气阻力增大，引风机电耗增加，甚至会导致风机失速[2]。
上述传统低温省煤器的磨损泄漏问题，已经严重影响了机组的安全运行，亦提高了运行维护成本，给用户带来了较大困扰，极大限制了其应用。因此，市场上急需一种可实现冷却水烟道零泄漏的低温省煤器技术。
1 技术原理
热管低温省煤器在传统管壳式低温省煤器基础上做出变革，采用重力热管作为换热元件。重力热管是一种传热性能极好的人工构件，通常由管壳、蒸汽
收稿日期：2021-02-03；修回日期：2021-04-12
作者简介：谢庆亮（1983—），男，福建龙岩人，硕士，高级工程师，从事节能、环保技术研发工作。
腔及工作介质等组成，从功能角度可划分为蒸发段、绝热段及冷凝段三部分（见图1）。重力热管工
作时利用了三种物理学原理[3]：1）在真空状态下，液体的沸点降低；2）同种物质的汽化潜热比显热高得多，通过蒸发与冷凝放热可实现较大热量的传递；3）利用重力作用使冷凝液体回流。
重力热管工作原理如图1所示，其主要工作过程如下：
（1）在蒸发段，管壁吸收外界（如热烟气）热量并传递给管内工质 。
（2）在蒸发段内工质吸热相变，工质由液态变为蒸汽态。
（3）工质蒸发后上升至冷凝段后相变放热，并通过管壁传递给冷工质。超声波萃取
（4）冷凝段管内蒸汽冷凝后变为液态，在重力作用下回到蒸发段重新吸热蒸发，周而往复，实现热量的传递。
图1 重力热管工作原理
重力热管低温省煤器是由若干根重力热管组成的换热设备，其冷却水和烟气分别从换热器的上、下部分流过，烟气和冷却水之间由中间隔板和热管分隔开，每根热管的管内工质互不相通、不串漏。
重力热管低温省煤器中的每根热管都是独立的换热元件，即使个别热管由于磨损发生泄漏，也只有热
管内部工质会泄漏进入烟道，微量的工质会被热烟气快速蒸发，冷却水不会泄漏进入烟气侧，对机组的安全运行无不良影响。同时，由于热管自身具有换热调节性，因此少量热管的磨损失效对整个设备的换热效果影响很小。重力热管低温省煤器可根据不同烟气参数灵活设计冷热两侧的传热面积，使重力热管烟气侧壁温始终控制在水露点温度25℃以上，有效杜绝了低温腐蚀问题[4]。
2 实验研究与结论
为开发重力热管低温省煤器，在理论研究的基础上，进一步通过换热实验（见图2）研究热管换热器不同布置方式
、不同结构形式的换热特性
。
图2 重力热管低温省煤器实验系统2.1 重力热管烟气侧不同换热结构的换热性能
（a）光管热管（b）螺旋翅片热管（c）销钉扩展面热管
图3 不同结构的重力热管
挤胶
对热管换热器烟气侧的不同结构形式（见图3）进行换热性能对比研究，主要包括开展单一换热设备相同风速、不同水速和相同水速、不同风速的换热性能研究以及各换热器同风速、同水速工况的对比，得到如下结论：
（1）在相同工况下，光管热管的传热系数大于翅片管热管及销钉扩展面热管的传热系数，且在不同水温下的差距较大。
（2）在相同工况下，螺旋翅片热管的整体传热系数小于销钉热管。
（3）椭圆管热管换热器的整体传热系数小于圆管热管换热器。
尽管上述部分换热器的换热系数较高，但在实际工程应用中在考虑传热系数的前提下还需考虑换热面积及生产工艺造成的设备成本差异。
2.2 不同重力热管换热器换热极限的研究
热管虽然传热能力很大，但也存在传热极限，主要与热管尺寸、形状、工作介质、温度等有关。本文主要研究了水温、烟温及热负荷等参数对不同热管换热器换热极限的影响。
通过逐步提高水速、水温、烟温、烟气流速等参数，研究在一定工况下，热管传热性能的变化。结合
负压脉动式清肺仪
热管传热峰值实验研究，修正理论计算方法，可得到热管的传热极限值，并用于指导热管换热器的选型工作。
2.3 重力热管低温省煤器内部工质灌注量的研究从上文重力热管的工作原理可以看出，为了保证热管的高效运行，热管内部液池的理想初始液体高度是第一时间升腾起来的工质回流至底部液池时，底部液池内的工质刚好全部蒸干或者接近蒸干。但实际充液量往往要比上述理想充液量大得多，这主要是因为热管内保持一定高度的液池可以适应过热流量的状况，且液池内处于核态沸腾可具有很高的换热系数。但充液量过大也会存在问题，不仅会引起传热不稳定，还会影响换热效果[5]。
通过理论分析，结合反复实验，得出了用于真空热管低温省煤器的重力热管的灌注量范围区间为蒸发段高度的30%～50%，具体灌注量还与管型与受热面结构形式有关。
3 重力热管低温省煤器的创新开发
3.1 流线型烟风道设计
尽管重力热管低温省煤器热管在出现磨损泄漏后不会有冷却水泄漏到烟气中，但部分热管的失效仍会对整体换热性能造成影响。造成部分热管磨损的主要原因是气固两相流的不均匀性，需要结合换热设备结构和烟道设计进行流场的优化。
应用CFD流线型烟风系统设计技术，采用流线形状的烟道外形和异形导流模块进行烟道的内部优化设计，消除了烟气的涡流、回流，实现进入换热器的烟气流场分配更加均匀，有效缓解磨损并解决高效换热的流场优化问题，同时使得能量损耗大大降低，烟道阻力大幅降低。
3.2 新型换热器组合结构形式
对于布置在除尘器前端的低温省煤器，其烟气含尘浓度为10～50g/m3，粉尘浓度高，在低负荷时容易产生沉积。因此在电除尘器前的水平烟道上，为布置方便以及防止积灰，常规低温省煤器多采用水平布置的H形翅片管或者螺旋翅片管。
微波真空烧结炉对于真空热管低温省煤器，其主要换热元件是重力真空热管，为了确保热管内部工质可以顺利回流至管底液池内，水平烟道上的真空热管低温省煤器主要采用竖直铅垂布置，若采用常规的H形翅片管，其扩展面将造成受热面严重积灰，从而影响真空热管低温省煤器的换热性能。
通过研究发现，采用光管、椭圆管或以螺旋翅片、销钉作为扩展面的热管换热器可以满足上述条件下的防积灰要求。具体布置需要根据不同的工况条件，选择适宜的真空热管换热器受热面结构形式。3.3 逆流串联式复合套管冷却的走水结构
热管低温省煤器的冷却水和烟气分别从换热器的上、下部分流过，烟气和冷却水之间由管板分隔，两
种换热介质均在不同的密封结构里且每根热管都是独立的换热元件，不像通常的省煤器那样各换热管之间联通在一起。因此，即使热管在烟气侧发生磨损或腐蚀，只会有极少的热管内工作介质泄漏进入烟道，被高温烟气蒸发，而水侧的冷却水无法进入烟道。
为了适应冷却水的高压运行环境，冷凝段需采用特殊的圆管套管结构，从进水口进入换热器后，与烟气方向成交叉逆流状，换热效率高。由于套管圆管结构且管壁厚度经结构计算选型，可以满足冷凝段承受高压水的要求，同时可以提高水流速，进而提高换热效果。
3.4 智慧环保的创新应用
对火力发电行业而言，火电厂的设备数字化、智
能化已成为火电行业发展的新趋势。由于电厂低温省煤器等设备长期运行引发的设备故障是一个缓慢过程，传统监测手段无法做到实时监测和提前预警。通过对热管低温省煤器等设备进行预警设置，将实时数据与归档数据进行纵横对比分析，经智能计算后的当前值超出与期望值预设的偏差时，发出设备故障预警，并推送预警信息，备件库可根据接收到的信息及时备件，确保设备正常运转。这种将大数据、互
联网＋、物联网与在线监测及故障诊断技术相结合的方式，能够为电厂设备健康运行与及时维护提供技术支撑。
通过对低温省煤器数据和机组其他相关数据的对比分析，发现该过程各运行参数的变化情况，建立模组热管磨损失效预警模型，并将历史数据导入模型，通过计算机学习，比对历史记录出换热模组热管失效的特征值，指导设备及时运维处理。
4 工程应用
江西某电厂660MW机组锅炉2014年进行排烟余热回收利用及除尘提效改造，新增4台采用常规间壁式换热方式的低温省煤器降低空预器出口排烟温度，实现回收烟气余热、提高除尘器效率、稳定达标排放。但由于原低温省煤器为间壁式管壳换热器，在长期粉尘冲刷下部分换热管出现了磨损、泄漏等问题，进而导致机组凝结水泄漏进入烟道，造成烟道堵灰，甚至危害电除尘器的安全运行。
鉴于上述情况，电厂经过长达一年的调研，最终确认利用真空热管低温省煤器取代原有的常规低温省煤器，在满足低温省煤器降温要求，保证电除尘器工作在低低温状态、达到稳定排放的同时，杜绝了低温省煤器泄露造成堵灰以及电除尘器短路等问题。
4.1 改造方案
本工程改造采用全流通工艺路线，并将原除尘器入口的翅片管式低温省煤器更换为真空热管低温省煤器。
新型真空热管低温省煤器改造布置如图4所示，总体布置与原低温省煤器一致，即布置于原电除尘器前的4个水平烟道内。热管低温省煤器的整体设计参数见表1。
图4 项目整体安装效果
表1 设计参数
项目单位设计值
机组负荷MW660
换热管型式—真空热管式结构
烟气量m3/h3700000
冷凝段介质—机组凝结水电梯监控方案
凝结水量t/h1480
进口烟气温度℃145
出口烟气温度℃95
煤气阀烟气侧阻力Pa≤400
水侧阻力MPa≤0.2 4.2 运行效果
该电厂#2机组热管低温省煤器于2020年12月投运，实时运行数据如表2所示。由于投运时为冬季，加上该运行机组锅炉在本次改造中进行了大修，过热器、再热器、空预器等锅炉主要换热器表面较为清洁，换热效率高，因此空预器出口四个烟道烟气温度值在机组满负荷运行时为120℃左右，低于设计值。热管低温省煤器出口烟温为85℃左右，总体降温幅度达到35℃。
表2 热管低温省煤器运行数据
项目单位数值
机组负荷MW660.1
烟气量m3/h3496411
入口平均烟温℃121.9
出口平均烟温℃84.5
烟气侧阻力Pa362.2
水侧阻力MPa0.04
目前运行冷却水量仅占设计水量的25%，热管低温省煤器仍存有较大的换热余量，但考虑到热管低温省煤器以及下游设备可能存在低温腐蚀的风险，因此实际运行过程中并没有进一步降低出口烟温以获得更好的节能效果。
5 结语
截至2019年年底，全国低低温电除尘器装机容量已超过1.65亿kW，但与其相配套的低温省煤器存在的磨损泄漏等问题影响到了电除尘器的正常稳定运行，无法保证超低排放效果，机组经济性也受到影响，因此行业内对无冷却水泄漏的低温省煤器的需求非常迫切。
另外，随着我国节能减排、超低排放政策的深入实施，以及坚持把“绿水青山就是金山银山”理念落实到具体行动中的实践要求[6]，未来除煤电行业之外的其他工业领域的烟气治理，也将面临余热利用、节能、提效等改造的迫切需求。因此，热管低温省煤器技术在燃煤锅炉余热利用领域具有广阔的应用前景。
参考文献：
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[2] 韩珂，孙绪炳.低温省煤器泄漏隔离对引风机失速影响分析[J].山东电力技术，2019，3（46）：58-61.
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[5] 庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2006：80.
[6] 黄润秋.坚持“绿水青山就是金山银山”理念，促进经济社会发展全面绿转型[N].学习时报，2021-01-15（A1）.
Development and Application
of New-type Heat-pipe Low-temperature Economizer
XIE Qing-liang
(Fujian Longking Environmental Protection Co., Ltd., Longyan Fujian 364000, China) Abstract: Conventional shell-and-tube low-temperature economizers have been widely used in coal-fired power plants, but their wear and leakage have a great impact on the safe and stable operation of the
unit and pollutant emissions. There is an urgent need in the market for an upgrading and transformation scheme for heat exchanger that can achieve zero leakage of cooling water. Based on the technical principle of the heat-pipe-type low-temperature economizer, this paper analyzed the feasibility of replacing the original low-temperature economizer by the technology, and introduced the technology by taking the application of a new heat-pipe low-temperature economizer in a 660MW unit as an example. According to the operation results, the heat-pipe low-temperature economizer is a reliable technology for the upgrading and transformation of low-temperature economizer technology, which can provide reference for the safe upgrading of flue gas waste heat utilization devices in other coal-fired power plants.
Key words: coal-fired power plant; low-temperature economizer; heat pipe; cooling water leakage; engineering application
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