某600 MW機(jī)組MGGH—級(jí)換熱器故障分析及改造方案探討

0引言

近十年來(lái),全國(guó)對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施了超低排放和節(jié)能改造,其中MGGH(Media Gas-Gas Heater,熱媒體氣氣換熱器)作為超低排放的高效處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。MGGH系統(tǒng)是一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng),主要由布置于電除塵器前的一級(jí)換熱器(也稱(chēng)“煙氣冷卻器”)和布置于脫硫塔后的二級(jí)換熱器(也稱(chēng)“煙氣加熱器”)組成,熱媒水先進(jìn)入一級(jí)換熱器回收煙氣余熱,加熱后的熱媒水進(jìn)入二級(jí)換熱器加熱脫硫后的低溫?zé)煔?實(shí)現(xiàn)煙氣余熱利用、提高電除塵效率、減少“石膏雨”、降低煙囪防腐維護(hù)費(fèi)用等多重效果^[1]。

實(shí)際運(yùn)行中,受到各種因素的影響,一級(jí)換熱器的換熱管會(huì)出現(xiàn)冷卻水泄漏問(wèn)題,造成煙風(fēng)道積灰堵塞,影響電除塵器安全運(yùn)行。此外,一級(jí)換熱器堵塞后,其換熱性能將大幅降低,導(dǎo)致吸收的熱量無(wú)法滿足二級(jí)換熱器出口煙溫要求,進(jìn)而會(huì)對(duì)煙囪的安全性產(chǎn)生影響。

1原一級(jí)換熱器改造前概況

某電廠600 MW機(jī)組于2017年配置了MGGH系統(tǒng),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94℃ ,吸收塔出口設(shè)置二級(jí)換熱器將脫硫后的凈煙氣由45℃加熱至80℃排放。

2020年后,一級(jí)換熱器開(kāi)始出現(xiàn)換熱管泄漏,在額定負(fù)荷工況下煙氣側(cè)阻力最高值可達(dá)3 000 pa,遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值。同時(shí),隨著一級(jí)換熱器的泄漏和堵塞,電除塵器的除塵效率降低。過(guò)高的阻力一方面使得鍋爐引風(fēng)機(jī)出力受限,部分工況下泄漏電除塵進(jìn)水導(dǎo)致極板和陰極線粘灰造成電場(chǎng)短路,另一方面還會(huì)導(dǎo)致電除塵灰斗、輸灰倉(cāng)泵和管道內(nèi)濕灰粘連,堵塞輸送,且易造成灰?guī)靸?nèi)出現(xiàn)灰塊板結(jié),威脅整個(gè)輸灰系統(tǒng)的安全運(yùn)行,同時(shí)使得脫硫塔負(fù)荷增大,系統(tǒng)淡水耗量急劇增加。

嚴(yán)重時(shí),泄漏量太大甚至?xí)?dǎo)致MGGH系統(tǒng)退出,造成機(jī)組出力受限和煙塵排放超標(biāo),觸發(fā)環(huán)保部門(mén)處罰機(jī)制,給企業(yè)造成重大損失。

2原一級(jí)換熱器故障分析

MGGH換熱器的故障主要包括積灰、堵灰、泄漏、腐蝕等,并且經(jīng)常是同時(shí)發(fā)生,其故障原因復(fù)雜,通常都是由多種因素共同引發(fā),具體到本項(xiàng)目,故障原因分析如下。

2.1入口煙道流場(chǎng)不均勻造成磨損泄漏

一級(jí)換熱器布置在除塵器前、空預(yù)器后水平煙道上,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,煙道水平段較長(zhǎng),低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙氣流速較低,容易積灰,同時(shí)換熱器進(jìn)口擴(kuò)散角度較大,煙氣在設(shè)備迎風(fēng)面形成了嚴(yán)重渦流和死角,在迎風(fēng)面下部沉淀積累的灰越來(lái)越多,使得迎風(fēng)面上部的通流面積大大減小,造成滿負(fù)荷時(shí)局部流速過(guò)高,加劇換熱面磨損,導(dǎo)致部分換熱管被磨穿發(fā)生泄漏,縮短了設(shè)備使用壽命。一旦發(fā)生泄漏,灰分與熱媒水介質(zhì)迅速混合形成大量黏性灰垢,造成板結(jié)性質(zhì)的堵灰,將進(jìn)一步惡化換熱面流場(chǎng),從而加劇換熱面磨損,形成惡性循環(huán)。

2.2 酸露點(diǎn)腐蝕造成泄漏

通過(guò)對(duì)機(jī)組2021年入爐煤質(zhì)的分析,發(fā)現(xiàn)相較設(shè)計(jì)煤種和校核煤種(設(shè)計(jì)煤種的酸露點(diǎn)溫度約109.1 ℃, 校核煤種為105.2℃),實(shí)際煤質(zhì)變化較大,導(dǎo)致煙氣的酸露點(diǎn)溫度升高。由于循環(huán)水進(jìn)口水溫為75℃左右,因此換熱管進(jìn)水端壁溫接近75℃ ,低于煙氣酸露點(diǎn)溫度,管壁容易結(jié)露形成酸液,發(fā)生低溫腐蝕。煙氣中水蒸氣和SO₃、SO₂經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng),生成稀硫酸(H₂SO₄),不僅對(duì)換熱面產(chǎn)生局部酸露腐蝕,而且水和煙氣中飛灰混合后在換熱管束及肋片上形成板結(jié)積灰,使得熱阻進(jìn)一步增大,壁溫進(jìn)一步降低,腐蝕和板結(jié)情況更加嚴(yán)重,逐步形成惡性循環(huán),加劇局部腐蝕和局部堵灰,其中局部堵灰又形成煙氣“走廊”而加劇局部磨損,由此,換熱面最終出現(xiàn)兩種后果:腐蝕泄漏和磨損泄漏。泄漏的循環(huán)水又與煙氣中的飛灰迅速混合形成大量黏性灰垢,造成大面積堵灰問(wèn)題。

2.3換熱器選型及布置的影響

原一級(jí)換熱器采用H型翅片管橫向布置,換熱管排翅頂間距5 mm,翅片間距15 mm。由于翅片間距只有15 mm,灰分的附著面積大大增加,而且翅片表面粗糙,前后管排的翅片很難做到對(duì)齊。兩排H型翅片管間存在間隙,空間的不連續(xù)導(dǎo)致該區(qū)域附近流動(dòng)紊亂度增加,一旦整個(gè)換熱管束出現(xiàn)局部壁溫過(guò)低,或者流場(chǎng)不好,將迅速使得該區(qū)域產(chǎn)生冷凝水,并與煙氣中的灰分發(fā)生混合而形成粘結(jié)性的灰垢,容易粘附在H型翅片兩側(cè)狹長(zhǎng)的通道,短時(shí)間內(nèi)完全堵死通道,并逐漸從小迎風(fēng)面積發(fā)展至大迎風(fēng)面積,導(dǎo)致?lián)Q熱元件的嚴(yán)重腐蝕和磨損。

2.4煙道漏風(fēng)造成局部受熱面壁溫過(guò)低形成低溫腐蝕和堵灰

由于安裝時(shí),煙道焊接沒(méi)有密封好,外部冷空氣漏進(jìn)煙道剛好對(duì)著受熱面,使得受熱面局部壁溫過(guò)低形成低溫腐蝕,長(zhǎng)時(shí)間累積后該位置最終因腐蝕而泄漏,泄漏的介質(zhì)與灰分迅速混合形成大量黏性灰垢,導(dǎo)致大面積堵灰,且泄漏的介質(zhì)與灰分中的腐蝕成分形成了稀硫酸,又造成附近其他本沒(méi)有腐蝕條件的換熱元件也發(fā)生腐蝕,形成惡性循環(huán)。

2.5煙氣中灰分顆粒性質(zhì)造成受熱面過(guò)快磨損失效

觀察煙道內(nèi)積灰發(fā)現(xiàn),迎風(fēng)側(cè)積灰顆粒直徑較大,灰粒比較堅(jiān)硬,而其他電廠的鍋爐尾部灰粒較細(xì)軟,堅(jiān)硬的灰粒造成換熱器過(guò)快磨損失效。

2.6脫硝氨逃逸引起硫酸氫銨結(jié)露導(dǎo)致沾污腐蝕

脫硝工序中部分氨未與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)而隨著煙氣流出,產(chǎn)生氨逃逸,生成硫酸氫銨。硫酸氫銨是一種黏稠的物質(zhì),具有吸濕性,露點(diǎn)溫度為147℃ ,粘附在換熱管表面吸附煙氣中的水分及飛灰,長(zhǎng)期累積會(huì)使換熱器堵塞嚴(yán)重。本項(xiàng)目發(fā)生嚴(yán)重積灰的2、3號(hào)煙道煙氣入口溫度為143~145℃ ,十分接近硫酸氫銨結(jié)露溫度點(diǎn),同時(shí),換熱器煙氣進(jìn)口端管壁溫度為125~130℃ ,比硫酸氫銨結(jié)露溫度低10~20℃ ,煙氣中的硫酸氫銨極易結(jié)露粘附在換熱管表面,從而吸附煙氣中的水分及飛灰,形成惡性循環(huán),造成換熱器嚴(yán)重堵塞,并對(duì)換熱器產(chǎn)生腐蝕。

3 故障解決對(duì)策

針對(duì)上述故障原因分析,提出相應(yīng)的解決對(duì)策如下:

1)通過(guò)CFD進(jìn)行氣流分布模擬,根據(jù)模擬結(jié)果加裝導(dǎo)流板改善煙氣流場(chǎng),使其趨于均衡。

2)換熱元件采用ND鋼或采用普通鋼加防腐防磨涂層,提高耐酸露腐蝕能力。此外,換熱元件可采用熱管型式,利用熱管壁溫可調(diào)的特性,優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱管冷凝段與蒸發(fā)段的面積比,確保換熱管壁溫在有限腐蝕范圍內(nèi)。

3)選用新型高效的換熱元件,如采用三維變空間高效管(簡(jiǎn)稱(chēng)“三維管”)作為換熱元件,優(yōu)化換熱器管排布置及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選擇合適的設(shè)計(jì)流速,提高M(jìn)GGH設(shè)備本身對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的適應(yīng)性,進(jìn)而從根本上改善設(shè)備低負(fù)荷積灰堵灰、高負(fù)荷磨損泄漏以及腐蝕惡性循環(huán)的情況。

4)針對(duì)煙道漏風(fēng)問(wèn)題,安裝煙道時(shí)嚴(yán)格檢查焊接密封性,確保不漏風(fēng)。

5)針對(duì)因脫硝氨逃逸引起的硫酸氫銨結(jié)露沾污腐蝕問(wèn)題,通過(guò)增設(shè)智能監(jiān)控模塊,增加運(yùn)行優(yōu)化控制調(diào)節(jié)手段,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴氨,改善空氣預(yù)熱器及 MGGH的運(yùn)行條件,提高鍋爐尾部煙氣系統(tǒng)及設(shè)備對(duì)煤質(zhì)變化及調(diào)峰負(fù)荷變化的適應(yīng)性,并配合MGGH 改造方案同步實(shí)施,這也是解決本項(xiàng)目痛點(diǎn)的一體化有效措施之一。

4 三維管應(yīng)用于一級(jí)換熱器的改造方案

針對(duì)MGGH一級(jí)換熱器及同類(lèi)換熱器的故障痛點(diǎn),行業(yè)內(nèi)迫切需要一種改進(jìn)的換熱器結(jié)構(gòu),其中耐磨損、不易泄漏、抗積灰能力好、換熱性能高的換熱元件非常關(guān)鍵。

4.1 三維管介紹

如圖1所示,三維管是一種三維空間螺旋狀變化的異型管,是通過(guò)內(nèi)外流體各自不斷旋轉(zhuǎn)混合并破壞靠近壁面的傳熱邊界層,形成二次流來(lái)強(qiáng)化換熱。同時(shí),其具有三維變空間、變截面、多通道的特性,不僅使得由三維管組成的管束流場(chǎng)高度均勻無(wú)死角、無(wú)渦 流,且能使流體與壁面接觸成為摩擦流(常規(guī)換熱管為碰撞流),大大降低了流體的流動(dòng)阻力和磨損率^[2]。

4.2 改造方案分析

一級(jí)換熱器采用三維管作為重力熱管的吸熱元件,構(gòu)成新型三維重力熱管技術(shù),這樣既可以利用三維管煙氣側(cè)強(qiáng)化傳熱、抗積灰、抗磨損、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn),又可以結(jié)合熱管內(nèi)高效熱傳導(dǎo)、遠(yuǎn)距離熱傳輸、不導(dǎo)致大規(guī)模泄漏等特性,有效解決積灰、磨損和泄漏問(wèn)題。三維重力熱管原理如圖2所示。

如圖3所示,一級(jí)換熱器高、低溫端均采用三維重力熱管橫向布置。每一根熱管都是獨(dú)立的,管內(nèi)工質(zhì)互不相通,相鄰熱管相互間不串漏。吸熱端位于水

平煙道,放熱端位于煙道外,吸熱端與放熱端被煙道隔板隔開(kāi),為第一道隔離層。同時(shí)放熱端被水套管包裹,冷卻水在熱管基管的外壁面和水套管內(nèi)壁面之間流通,水套管和熱管基管焊接后將冷卻水隔離在煙道隔板的上端,為第二道隔離層。因此,此方案可實(shí)現(xiàn)冷凝水與煙氣的雙重物理隔離,當(dāng)MGGH系統(tǒng)循環(huán)水泄漏時(shí),水側(cè)的冷卻水無(wú)法進(jìn)入煙道,徹底杜絕了冷卻水向煙道泄漏的安全隱患,解決了MGGH 系統(tǒng)循環(huán)水泄漏引發(fā)的次生問(wèn)題^[3]。

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算,雖然三維管因?yàn)榧訌?qiáng)了管內(nèi)外流體的擾動(dòng),具有換熱系數(shù)高[三維管換熱系數(shù)高達(dá)65 W/(m² ?℃)],抗積灰性能、抗硫酸氫銨粘附性能優(yōu)異的典型特征,但其單根換熱面積小,本次改造一級(jí)換熱器、二級(jí)換熱器出口煙溫參照原設(shè)計(jì)參數(shù),如全部采用三維管布置,將存在設(shè)備占地面積大,現(xiàn)有場(chǎng)地?zé)o法滿足布置要求的問(wèn)題。

針對(duì)目前燃煤機(jī)組多數(shù)存在硫酸氫銨粘附空預(yù)器及一級(jí)換熱器、換熱器前排翅片管磨損較為嚴(yán)重的情況,提出基于以上方案的優(yōu)化方案,即高溫段迎風(fēng)面前四排采用三維管,其余采用U型開(kāi)齒翅片管熱管的組合形式。該優(yōu)化方案具有下述優(yōu)點(diǎn):

1)在迎風(fēng)面前四排布置三維管,可以起到傳統(tǒng)防磨假管的作用,同時(shí)將原本不參與換熱的假管替換為高效換熱的熱管,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好。2)將低溫循環(huán)水先引入三維管加熱,加熱后的循環(huán)水再進(jìn)入U(xiǎn)型開(kāi)齒翅片管熱管繼續(xù)加熱,可充分利用三維管換熱系數(shù)

高的特性,通過(guò)增加三維管的對(duì)數(shù)平均溫差,實(shí)現(xiàn)快速降溫。經(jīng)理論計(jì)算,布置四排三維管可實(shí)現(xiàn)4~5℃的降溫幅度。3)錯(cuò)列布置三維管,通過(guò)有效組合三維變空間的特性,實(shí)現(xiàn)高動(dòng)能、高濃度粉塵的高效攔截,減輕后續(xù)U型開(kāi)齒翅片管熱管的磨損和積灰。4)三維 管與U型開(kāi)齒翅片管熱管耦合布置,占地小,阻力小,設(shè)備投資大幅降低,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更佳。5)考慮到本項(xiàng)目主要須滿足二級(jí)換熱器溫升要求,經(jīng)熱平衡計(jì)算,一級(jí)換熱器進(jìn)口煙溫從135℃降至103℃即可滿足該要求,故本優(yōu)化方案的一級(jí)換熱器出口煙溫?zé)o須降到90~95℃。因此,優(yōu)化方案滿足一級(jí)換熱器降溫幅度要求,同時(shí)能在現(xiàn)有場(chǎng)地內(nèi)完成熱管一級(jí)換熱器的布置,基本實(shí)現(xiàn)了支架、基礎(chǔ)不加固,僅進(jìn)行適應(yīng)性改造,煙氣阻力小、設(shè)備投資合理的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

MGGH一級(jí)換熱器采用三維管作為重力熱管的吸熱元件,該新型三維重力熱管技術(shù),既可以利用三維管煙氣側(cè)強(qiáng)化傳熱、抗積灰、抗磨損、抗腐蝕等優(yōu) 點(diǎn),又可以結(jié)合熱管內(nèi)高效熱傳導(dǎo)、遠(yuǎn)距離熱傳輸、不導(dǎo)致大規(guī)模泄漏等特性,有效解決了積灰、磨損和泄漏問(wèn)題。

在實(shí)際應(yīng)用中,雖然三維管單根換熱面積小,若所有換熱元件采用三維管難以滿足現(xiàn)有場(chǎng)地布置要求,但本文提出的優(yōu)化方案,即高溫段迎風(fēng)面前四排采用三維管,其余采用U型開(kāi)齒翅片管熱管的組合形式,結(jié)合二級(jí)換熱器溫升需求的合理設(shè)置,即可滿足改造要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 郭家旺.淺析MGGH煙氣處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(12):118.

[2]楊勝,張頌,張莉,等.螺旋扁管強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].冶金能源,2010,29(3):17-22.

[3]謝玲,張洪濤,李吉業(yè),等.煙水雙隔離相變式煙氣深度冷卻器技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù),2023(12):36-39.

2024年第21期第19篇