零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)研究

0引言

低低溫電除塵器主要利用前端的LGGH(低低溫?zé)煔鈸Q熱器)取熱器或低溫省煤器實現(xiàn)電除塵器入口煙溫的降低,從而能夠減少電除塵器的煙氣處理量,增加煙氣停留時間,降低粉塵比電阻,顯著提高煙塵的脫除效率^[1]。全國電廠在前幾年超低排放改造期間紛紛增設(shè)了LGGH取熱器或低溫省煤器,其中 LGGH取熱器或低溫省煤器均為管殼式換熱器,經(jīng)過多年運行后,原有管殼式取熱器逐漸出現(xiàn)局部堵塞、磨損和泄漏現(xiàn)象,造成部分換熱管組無法投入運行,部分換熱器面臨嚴重磨損泄漏,嚴重影響其后部除塵器安全運行^[2]。隨著大量已服役的傳統(tǒng)取熱器使用壽命將至,如何在滿足LGGH升溫器升溫需求,取得經(jīng)濟、環(huán)境效益的同時顯著提升設(shè)備的本體安全成為一項重要課題。

1零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)

針對傳統(tǒng)LGGH取熱器或低溫省煤器普遍面臨磨損、泄漏,危害低低溫除塵器的問題逐步加劇爆發(fā)的背景下,本文提出了一種適用于大中小機組的零泄漏高效真空熱管取熱器,可替代原有傳統(tǒng)管殼式取熱器,并與低低溫電除塵器作為一個組合,實現(xiàn)煙氣余熱回收和煙氣高效除塵。

1.1 技術(shù)原理

零泄漏高效熱管取熱器是基于軸向重力熱管技術(shù)原理,圖1為軸向重力熱管工作原理示意圖,在結(jié)構(gòu)上其分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。首先,在熱管

的蒸發(fā)段,從熱煙氣中吸收熱量后,管內(nèi)工質(zhì)受熱相變蒸發(fā),在蒸發(fā)段與冷凝段壓差的作用下由蒸發(fā)段流向冷凝段,氣態(tài)工質(zhì)在冷凝段遇冷釋放潛熱后又冷凝變?yōu)橐后w,然后在重力的作用下重新返回到蒸發(fā)段,于是熱量通過這種循環(huán)過程的不斷進行實現(xiàn)了傳遞^[3]。

1.2 取熱器本體結(jié)構(gòu)

零泄漏高效熱管取熱器由若干重力熱管作為換熱元件組成,如圖2所示,采用三段式設(shè)計:1)熱管蒸發(fā)吸熱區(qū);2)熱管冷凝放熱區(qū);3)熱管頂端儲氣區(qū)。

熱管蒸發(fā)吸熱區(qū)采用開齒螺旋翅片管的擴展換熱面結(jié)構(gòu)形式,具有換熱效率高、抗積灰能力好的特點。

熱管冷凝放熱區(qū)采用蛇形流道的套管式水冷結(jié)構(gòu),冷卻水流通結(jié)構(gòu)總體采用圓管制作,可滿足承受較高水壓的要求,冷凝段對應(yīng)的每一根熱管外設(shè)水套管,套管之間采用蛇形走水方式,增加了冷凝放熱區(qū)冷卻水的水程,提高了換熱效率,與常規(guī)的集箱式流通結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)可以承受更高的水壓,工況適應(yīng)性更寬。

熱管頂端儲氣區(qū)具有臨時儲存不凝性氣體的功能,并且儲氣區(qū)上方設(shè)置有可開閉調(diào)節(jié)的排氣封頭。該儲氣區(qū)的設(shè)計是確保熱管長久高效運行的一個重要保障手段,用于儲存熱管運行一個長周期之后管內(nèi)形成的不凝性氣體,可以通過紅外檢測模塊前后進出口溫差(水溫、煙溫)等手段判斷儲氣區(qū)內(nèi)部存儲的不凝性氣體含量,最后利用儲氣區(qū)上方可開閉調(diào)節(jié)的排氣封頭,將管內(nèi)的不凝性氣體排放至管外,保持管內(nèi)真空度,使熱管保持高效性。

如圖3所示,零泄漏高效熱管取熱器為適應(yīng)場地條件,可設(shè)計成大模塊或小模塊結(jié)構(gòu),當(dāng)采用小模塊結(jié)構(gòu)時,可由2~8排的換熱管排自由靈活組成,從而靈活控制模塊重量以適應(yīng)現(xiàn)場吊裝能力。

實踐中,由于取熱器所處位置的煙塵濃度相對較大,防磨假管長時間受到煙塵沖刷磨損后將失去防磨作用,使得煙塵直接沖刷換熱管排,最終導(dǎo)致?lián)Q熱管排逐步失效,煙氣換熱器的換熱性能也逐步下降。然而,傳統(tǒng)的防磨假管采用焊接的安裝方式,當(dāng)需要更換防磨假管時,只能通過割除舊管、重新焊接新管的方式,這種方式不僅效率低下,維護成本高,而且也容易對下游的換熱管排造成損壞。

零泄漏高效熱管取熱器的防磨假管具有可拆卸功能,當(dāng)防磨假管組件受到煙氣中粉塵的沖刷磨損后,可以快速拆卸并重新更換,效率高,維護成本低。

1.3 零泄漏原理

工作時,每一個零泄漏高效熱管取熱器的冷卻水和煙氣分別從換熱器的上、下部分流通過,熱煙氣和冷卻水之間由絕熱中間隔板和水套管實現(xiàn)雙重物理隔離,組成換熱裝置的每根熱管都是獨立的換熱元件,管內(nèi)工質(zhì)也互不相通。在煙氣側(cè),即使個別熱管受煙塵顆粒沖刷磨損后發(fā)生泄漏,也僅有該根熱管內(nèi)部的少量工質(zhì)會泄漏進入煙道,然后被熱煙氣快速蒸發(fā),而冷卻水與煙氣仍然處于隔離狀態(tài),不會泄漏進入煙氣側(cè),從而杜絕了由于不可避免的磨損造成冷卻水泄漏,引發(fā)換熱器積灰板結(jié)、煙氣流通通道堵塞以及對電除塵器正常運行的不良影響,可以保證機組長周期安全、穩(wěn)定運行。

2零泄漏高效熱管取熱器配套技術(shù)研究

2.1熱管現(xiàn)場封裝技術(shù)

本文提出了一種能夠有效保障操作人員安全的熱管現(xiàn)場封裝技術(shù)和方法,如圖4所示,包括以下步驟:

S1:基于預(yù)灌注試驗和灌注排氣試驗,確定待封裝熱管灌注的基礎(chǔ)參數(shù)。

S2:熱管設(shè)備組裝完畢后,根據(jù)待封裝熱管灌注的參數(shù)進行熱管預(yù)灌注操作。

S3:根據(jù)待封裝熱管灌注的參數(shù),進行熱管灌注操作。

S4:灌注完成后進行排氣操作。

S5:待封裝熱管完成排氣操作后,進行熱管封裝操作。

在熱管灌注前,設(shè)置對熱管進行預(yù)灌注操作,利用工質(zhì)在熱管下部蒸發(fā)吸熱的過程,降低熱管下部管壁溫度,可完全規(guī)避灌注時工質(zhì)蒸汽在熱管下部快速沸騰將液態(tài)工質(zhì)頂出熱管,造成現(xiàn)場人員遇險及工質(zhì)溢出的風(fēng)險,在保護熱管生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上,為操作人員安全提供技術(shù)保障。

2.2融合智慧環(huán)保技術(shù)

零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)融合了智慧低溫省煤器和智慧電除塵自動控制技術(shù):

其 一 ,應(yīng)用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(Multi—Objective Particle Swarm Optimization,MOPSO)在尋優(yōu)范圍內(nèi)初始化多組運行參數(shù)組合,連同工況指標(biāo)置入LSTM網(wǎng)絡(luò)進行粉塵預(yù)測,后建立運行參數(shù)對應(yīng)的排放目標(biāo)偏差、電能損耗、調(diào)節(jié)幅度等綜合評價函數(shù),作為尋優(yōu)算法評判依據(jù),高效選取高適應(yīng)度的解不斷迭代升級,得到安全、節(jié)能最佳策略。

其二,基于設(shè)備換熱機理,以水比熱、傳熱溫差、熱阻值、凈流速等特性指標(biāo)為依據(jù)構(gòu)建換熱公式,實時推算出理論和實際換熱系數(shù)?；诤Ａ窟\行數(shù)據(jù)的換熱特性挖掘,是以同負荷、同進口煙溫、同冷卻水量下熱管換熱器的出口煙溫、水溫隨時間推移的數(shù)值變化來定性分析。若比對時序數(shù)據(jù)下的出口煙溫提高超過10℃,或出口水溫下降超過10℃,可判斷換熱效率下降。

其三,通過三維建模工具實現(xiàn)真空熱管、除塵設(shè)備的虛擬化創(chuàng)建、信息呈現(xiàn)、透視旋轉(zhuǎn)等一系列操作,形成更加直觀的設(shè)備狀態(tài)感知。支持2D實時數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示,實現(xiàn)了低省設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測,基于設(shè)備工藝流程圖查看實時數(shù)據(jù)和歷史曲線,可以滿足運行人員日常監(jiān)測要求,實現(xiàn)狀態(tài)檢修和精準(zhǔn)運維。

3工程應(yīng)用

3.1 改造方案

江蘇某電廠660 MW機組于2015年超低排放改造時新建LGGH裝置,其中LGGH降溫器經(jīng)過多年運行,換熱管組經(jīng)常發(fā)生磨損泄漏,造成降溫器煙道積灰堵塞,泄漏嚴重時還會造成除塵器倉泵積水堵塞,給機組安全經(jīng)濟運行帶來了嚴重的安全隱患。鑒于上述情況,電廠在2023年將原LGGH降溫器全部拆除,更換為零泄漏高效熱管取熱器,取熱器的布置位置與原LGGH降溫器相同,布置于電除塵器前水平煙道。降溫器沿?zé)煔夥较蚍智昂髢山M換熱器,每組換熱器在垂直方向設(shè)置5個換熱分區(qū),每個煙道共有10個換熱分區(qū)。此外,本項目采用智慧低省和智慧電除塵自動控制技術(shù),對零泄漏高效熱管取熱器和低低溫電除塵器進行監(jiān)測與控制。

零泄漏高效熱管取熱器設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3.2 運行效果

該電廠#4機組零泄漏高效熱管取熱器自2023年11月竣工驗收投運至今,運行效果良好。2024年1月,第三方測試單位對該項 目進行性能考核試驗,在100%負荷率工況下,試驗測試結(jié)果如下:

1)煙氣溫度:100%負荷率工況,試驗測得取熱器入口平均煙溫為113℃ ,出口平均煙溫為93℃ ,修正曲線修正后取熱器出口煙溫為101℃ ,滿足性能保證值要求。

2)系統(tǒng)壓力損失:100%負荷率工況,取熱器壓力損失為485 Pa,滿足保證值要求。

此外,根據(jù)運行人員的不完全統(tǒng)計,智慧除塵系統(tǒng)未投運時,電除塵器耗電率約為0.189 3%,智慧除塵系統(tǒng)投運后,除塵器耗電率約為0.1386%。經(jīng)計算,得出智慧除塵系統(tǒng)投運后電除塵器的節(jié)電率為26.78%,超過技術(shù)協(xié)議節(jié)電率20%以上的指標(biāo)要求。

4 總結(jié)及展望

本文所述零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)具有以下主要特征和優(yōu)勢:

1)具有雙重物理隔離效果,可確保冷卻水不會泄漏進入煙氣側(cè),徹底解決了傳統(tǒng)LGGH取熱器或低溫省煤器冷卻水泄漏后造成的積灰堵塞等問題。

2)抗積灰能力好、換熱效率高,并且可以在線排出熱管內(nèi)的不凝性氣體,使用壽命長。

3)場地適應(yīng)性好,可以根據(jù)場地條件設(shè)計成大模塊或小模塊。

4)防磨假管可以快速拆卸并重新更換,效率高,維護成本低。

5)熱管現(xiàn)場封裝技術(shù)在保護熱管生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上,可為操作人員安全提供技術(shù)保障。

6)融合智慧低省和智慧電除塵自動控制技術(shù),提高了煙氣余熱利用率,實現(xiàn)了粉塵穩(wěn)定排放前提下的電除塵能耗最小化運行。

零泄漏高效熱管取熱器技術(shù)可以徹底解決傳統(tǒng)LGGH取熱器或低溫省煤器冷卻水泄漏后造成的積灰堵塞等問題,并且融合智慧環(huán)保技術(shù)后,可提升設(shè)備運維效率,實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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2024年第22期第19篇