某600 MW机组MGGH—级换热器故障分析及改造方案探讨

0引言

近十年来,全国对燃煤机组全面实施了超低排放和节能改造,其中MGGH(Media Gas-Gas Heater,热媒体气气换热器)作为超低排放的高效处理技术在国内得到了广泛应用。MGGH系统是一个闭式循环系统,主要由布置于电除尘器前的一级换热器(也称“烟气冷却器”)和布置于脱硫塔后的二级换热器(也称“烟气加热器”)组成,热媒水先进入一级换热器回收烟气余热,加热后的热媒水进入二级换热器加热脱硫后的低温烟气,实现烟气余热利用、提高电除尘效率、减少“石膏雨”、降低烟囱防腐维护费用等多重效果^[1]。

实际运行中,受到各种因素的影响,一级换热器的换热管会出现冷却水泄漏问题,造成烟风道积灰堵塞,影响电除尘器安全运行。此外,一级换热器堵塞后,其换热性能将大幅降低,导致吸收的热量无法满足二级换热器出口烟温要求,进而会对烟囱的安全性产生影响。

1原一级换热器改造前概况

某电厂600 MW机组于2017年配置了MGGH系统,在机组除尘器前水平烟道设置一级换热器将除尘器入口烟气温度由135℃降至94℃ ,吸收塔出口设置二级换热器将脱硫后的净烟气由45℃加热至80℃排放。

2020年后,一级换热器开始出现换热管泄漏,在额定负荷工况下烟气侧阻力最高值可达3 000 pa,远超设计值。同时,随着一级换热器的泄漏和堵塞,电除尘器的除尘效率降低。过高的阻力一方面使得锅炉引风机出力受限,部分工况下泄漏电除尘进水导致极板和阴极线粘灰造成电场短路,另一方面还会导致电除尘灰斗、输灰仓泵和管道内湿灰粘连,堵塞输送,且易造成灰库内出现灰块板结,威胁整个输灰系统的安全运行,同时使得脱硫塔负荷增大,系统淡水耗量急剧增加。

严重时,泄漏量太大甚至会导致MGGH系统退出,造成机组出力受限和烟尘排放超标,触发环保部门处罚机制,给企业造成重大损失。

2原一级换热器故障分析

MGGH换热器的故障主要包括积灰、堵灰、泄漏、腐蚀等,并且经常是同时发生,其故障原因复杂,通常都是由多种因素共同引发,具体到本项目,故障原因分析如下。

2.1入口烟道流场不均匀造成磨损泄漏

一级换热器布置在除尘器前、空预器后水平烟道上,根据现场实际情况,烟道水平段较长,低负荷运行时烟气流速较低,容易积灰,同时换热器进口扩散角度较大,烟气在设备迎风面形成了严重涡流和死角,在迎风面下部沉淀积累的灰越来越多,使得迎风面上部的通流面积大大减小,造成满负荷时局部流速过高,加剧换热面磨损,导致部分换热管被磨穿发生泄漏,缩短了设备使用寿命。一旦发生泄漏,灰分与热媒水介质迅速混合形成大量黏性灰垢,造成板结性质的堵灰,将进一步恶化换热面流场,从而加剧换热面磨损,形成恶性循环。

2.2 酸露点腐蚀造成泄漏

通过对机组2021年入炉煤质的分析,发现相较设计煤种和校核煤种(设计煤种的酸露点温度约109.1 ℃, 校核煤种为105.2℃),实际煤质变化较大,导致烟气的酸露点温度升高。由于循环水进口水温为75℃左右,因此换热管进水端壁温接近75℃ ,低于烟气酸露点温度,管壁容易结露形成酸液,发生低温腐蚀。烟气中水蒸气和SO₃、SO₂经过化学反应,生成稀硫酸(H₂SO₄),不仅对换热面产生局部酸露腐蚀,而且水和烟气中飞灰混合后在换热管束及肋片上形成板结积灰,使得热阻进一步增大,壁温进一步降低,腐蚀和板结情况更加严重,逐步形成恶性循环,加剧局部腐蚀和局部堵灰,其中局部堵灰又形成烟气“走廊”而加剧局部磨损,由此,换热面最终出现两种后果:腐蚀泄漏和磨损泄漏。泄漏的循环水又与烟气中的飞灰迅速混合形成大量黏性灰垢,造成大面积堵灰问题。

2.3换热器选型及布置的影响

原一级换热器采用H型翅片管横向布置,换热管排翅顶间距5 mm,翅片间距15 mm。由于翅片间距只有15 mm,灰分的附着面积大大增加,而且翅片表面粗糙,前后管排的翅片很难做到对齐。两排H型翅片管间存在间隙,空间的不连续导致该区域附近流动紊乱度增加,一旦整个换热管束出现局部壁温过低,或者流场不好,将迅速使得该区域产生冷凝水,并与烟气中的灰分发生混合而形成粘结性的灰垢,容易粘附在H型翅片两侧狭长的通道,短时间内完全堵死通道,并逐渐从小迎风面积发展至大迎风面积,导致换热元件的严重腐蚀和磨损。

2.4烟道漏风造成局部受热面壁温过低形成低温腐蚀和堵灰

由于安装时,烟道焊接没有密封好,外部冷空气漏进烟道刚好对着受热面,使得受热面局部壁温过低形成低温腐蚀,长时间累积后该位置最终因腐蚀而泄漏,泄漏的介质与灰分迅速混合形成大量黏性灰垢,导致大面积堵灰,且泄漏的介质与灰分中的腐蚀成分形成了稀硫酸,又造成附近其他本没有腐蚀条件的换热元件也发生腐蚀,形成恶性循环。

2.5烟气中灰分颗粒性质造成受热面过快磨损失效

观察烟道内积灰发现,迎风侧积灰颗粒直径较大,灰粒比较坚硬,而其他电厂的锅炉尾部灰粒较细软,坚硬的灰粒造成换热器过快磨损失效。

2.6脱硝氨逃逸引起硫酸氢铵结露导致沾污腐蚀

脱硝工序中部分氨未与氮氧化物发生反应而随着烟气流出,产生氨逃逸,生成硫酸氢铵。硫酸氢铵是一种黏稠的物质,具有吸湿性,露点温度为147℃ ,粘附在换热管表面吸附烟气中的水分及飞灰,长期累积会使换热器堵塞严重。本项目发生严重积灰的2、3号烟道烟气入口温度为143~145℃ ,十分接近硫酸氢铵结露温度点,同时,换热器烟气进口端管壁温度为125~130℃ ,比硫酸氢铵结露温度低10~20℃ ,烟气中的硫酸氢铵极易结露粘附在换热管表面,从而吸附烟气中的水分及飞灰,形成恶性循环,造成换热器严重堵塞,并对换热器产生腐蚀。

3 故障解决对策

针对上述故障原因分析,提出相应的解决对策如下:

1)通过CFD进行气流分布模拟,根据模拟结果加装导流板改善烟气流场,使其趋于均衡。

2)换热元件采用ND钢或采用普通钢加防腐防磨涂层,提高耐酸露腐蚀能力。此外,换热元件可采用热管型式,利用热管壁温可调的特性,优化设计换热管冷凝段与蒸发段的面积比,确保换热管壁温在有限腐蚀范围内。

3)选用新型高效的换热元件,如采用三维变空间高效管(简称“三维管”)作为换热元件,优化换热器管排布置及总体结构设计,选择合适的设计流速,提高MGGH设备本身对机组负荷变化的适应性,进而从根本上改善设备低负荷积灰堵灰、高负荷磨损泄漏以及腐蚀恶性循环的情况。

4)针对烟道漏风问题,安装烟道时严格检查焊接密封性,确保不漏风。

5)针对因脱硝氨逃逸引起的硫酸氢铵结露沾污腐蚀问题,通过增设智能监控模块,增加运行优化控制调节手段,实现精准喷氨,改善空气预热器及 MGGH的运行条件,提高锅炉尾部烟气系统及设备对煤质变化及调峰负荷变化的适应性,并配合MGGH 改造方案同步实施,这也是解决本项目痛点的一体化有效措施之一。

4 三维管应用于一级换热器的改造方案

针对MGGH一级换热器及同类换热器的故障痛点,行业内迫切需要一种改进的换热器结构,其中耐磨损、不易泄漏、抗积灰能力好、换热性能高的换热元件非常关键。

4.1 三维管介绍

如图1所示,三维管是一种三维空间螺旋状变化的异型管,是通过内外流体各自不断旋转混合并破坏靠近壁面的传热边界层,形成二次流来强化换热。同时,其具有三维变空间、变截面、多通道的特性,不仅使得由三维管组成的管束流场高度均匀无死角、无涡 流,且能使流体与壁面接触成为摩擦流(常规换热管为碰撞流),大大降低了流体的流动阻力和磨损率^[2]。

4.2 改造方案分析

一级换热器采用三维管作为重力热管的吸热元件,构成新型三维重力热管技术,这样既可以利用三维管烟气侧强化传热、抗积灰、抗磨损、抗腐蚀等优点,又可以结合热管内高效热传导、远距离热传输、不导致大规模泄漏等特性,有效解决积灰、磨损和泄漏问题。三维重力热管原理如图2所示。

如图3所示,一级换热器高、低温端均采用三维重力热管横向布置。每一根热管都是独立的,管内工质互不相通,相邻热管相互间不串漏。吸热端位于水

平烟道,放热端位于烟道外,吸热端与放热端被烟道隔板隔开,为第一道隔离层。同时放热端被水套管包裹,冷却水在热管基管的外壁面和水套管内壁面之间流通,水套管和热管基管焊接后将冷却水隔离在烟道隔板的上端,为第二道隔离层。因此,此方案可实现冷凝水与烟气的双重物理隔离,当MGGH系统循环水泄漏时,水侧的冷却水无法进入烟道,彻底杜绝了冷却水向烟道泄漏的安全隐患,解决了MGGH 系统循环水泄漏引发的次生问题^[3]。

经设计计算,虽然三维管因为加强了管内外流体的扰动,具有换热系数高[三维管换热系数高达65 W/(m² •℃)],抗积灰性能、抗硫酸氢铵粘附性能优异的典型特征,但其单根换热面积小,本次改造一级换热器、二级换热器出口烟温参照原设计参数,如全部采用三维管布置,将存在设备占地面积大,现有场地无法满足布置要求的问题。

针对目前燃煤机组多数存在硫酸氢铵粘附空预器及一级换热器、换热器前排翅片管磨损较为严重的情况,提出基于以上方案的优化方案,即高温段迎风面前四排采用三维管,其余采用U型开齿翅片管热管的组合形式。该优化方案具有下述优点:

1)在迎风面前四排布置三维管,可以起到传统防磨假管的作用,同时将原本不参与换热的假管替换为高效换热的热管,技术经济性更好。2)将低温循环水先引入三维管加热,加热后的循环水再进入U型开齿翅片管热管继续加热,可充分利用三维管换热系数

高的特性,通过增加三维管的对数平均温差,实现快速降温。经理论计算,布置四排三维管可实现4~5℃的降温幅度。3)错列布置三维管,通过有效组合三维变空间的特性,实现高动能、高浓度粉尘的高效拦截,减轻后续U型开齿翅片管热管的磨损和积灰。4)三维 管与U型开齿翅片管热管耦合布置,占地小,阻力小,设备投资大幅降低,技术经济性更佳。5)考虑到本项目主要须满足二级换热器温升要求,经热平衡计算,一级换热器进口烟温从135℃降至103℃即可满足该要求,故本优化方案的一级换热器出口烟温无须降到90~95℃。因此,优化方案满足一级换热器降温幅度要求,同时能在现有场地内完成热管一级换热器的布置,基本实现了支架、基础不加固,仅进行适应性改造,烟气阻力小、设备投资合理的目标。

5 结束语

MGGH一级换热器采用三维管作为重力热管的吸热元件,该新型三维重力热管技术,既可以利用三维管烟气侧强化传热、抗积灰、抗磨损、抗腐蚀等优 点,又可以结合热管内高效热传导、远距离热传输、不导致大规模泄漏等特性,有效解决了积灰、磨损和泄漏问题。

在实际应用中,虽然三维管单根换热面积小,若所有换热元件采用三维管难以满足现有场地布置要求,但本文提出的优化方案,即高温段迎风面前四排采用三维管,其余采用U型开齿翅片管热管的组合形式,结合二级换热器温升需求的合理设置,即可满足改造要求。

[参考文献]

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[2]杨胜,张颂,张莉,等.螺旋扁管强化传热技术研究进展[J].冶金能源,2010,29(3):17-22.

[3]谢玲,张洪涛,李吉业,等.烟水双隔离相变式烟气深度冷却器技术研究[J].装备制造技术,2023(12):36-39.

2024年第21期第19篇