新型氟塑料低温省煤器在火电厂中的应用

王天堃

(神华国能集团有限公司，北京 100033)

0 引言

国内很多火电机组由于堵塞和腐蚀的原因取消了脱硫烟气换热器(GGH)，但造成了烟气余热的巨大浪费，而在燃煤锅炉尾部受热面增设低温省煤器是降低排烟温度的可行方案。低温省煤器所吸收的热量可用来加热凝结水或通过暖风器加热空气提高送风温度，减少低压加热器或者暖风器的抽汽量，增加汽轮机做功，提高机组效率，并可根据季节和煤质灵活调节排烟温度，其在国内已有较广泛的成功应用。

燃煤锅炉最低排烟温度受到烟气露点限制，而烟气露点不但取决于烟气含硫量，而且受烟气中水蒸气压力影响。锅炉尾部冷端受热面壁温低于烟气露点，会发生受热面结露、积灰、腐蚀损坏，影响锅炉稳定运行。已投运的大部分燃煤锅炉，低温省煤器壁温均低于烟气露点，因此，研究新型、高效、防腐的低温省煤器十分必要。本文以某660 MW超临界空冷燃煤机组为例，分析新型氟塑料低温省煤器及其工程应用技术方案。

1 新型氟塑料低温省煤器

国内外对各种材料的低温腐蚀特性做了大量研究，氟塑料被认为是一种理想的材质。新型氟塑料低温省煤器采用小直径薄壁软管，表面光滑不易结垢，具有极强的耐腐蚀性，可有效防止低温酸腐蚀，最大限度地利用烟气余热，提高机组经济性。

1.1 物理化学特性

氟塑料属化学惰性材料，具有良好的耐热性和耐寒性，是已知固体材料中表面自由能最低的材料之一，几乎所有材料都不能黏附在其表面，因此，氟塑料用作低温省煤器时管壁表面基本不结垢。同时，由于其表面分子对其他分子吸引力小，因而摩擦系数非常小，对流体产生的流动摩擦阻力也较小[1]。国内外研究结果表明，氟塑料管具备较强的承压和耐腐蚀能力，适用于低温省煤器中长期承压和腐蚀的工况。

1.2 换热性能

普通氟塑料的导热系数是金属的1/30～1/10，氟塑料低温省煤器所需的换热面积大约是金属换热器的3倍，导热热阻大是氟塑料的主要缺陷。氟塑料低温省煤器在设计上采用薄壁小直径管，采用大量小直径管密集排列技术，克服了氟塑料导热系数低的缺点，使其可在高腐蚀环境下取代金属低温省煤器。同时，由于其具有不黏附的特点，管壁内外均不易结垢，而金属换热器易结垢，运行一段时间后，二者传热系数差值缩小，长期运行具有优势[1]。

2 技术方案比较

拟应用氟塑料低温省煤器的660 MW燃煤空冷机组，在汽轮机最大连续出力(T-MCR)工况下主要相关参数如下：设计背压，11 kPa；七段抽汽压力0.078 MPa、抽汽温度93.3 ℃，对应凝结水泵出口水温48 ℃；#7低压加热器(以下简称低加)出口水温，88.74 ℃；引风机后烟气温度(设计煤种)，123.4 ℃。

2.1 氟塑料低温省煤器应用方案

从烟气余热回收利用角度考虑，如采用氟塑料低温省煤器直接换热方式，系统简单，无电耗，但占地比较大，无法在尾部烟道完全布置。为解决此问题，可采取以水为中间换热媒介的“热转移”系统[2]，主要有3种方式：加热凝结水、加热热网循环水、预热冷风(一次及二次风)。

(1)加热凝结水。提高全厂的热效率，降低煤耗，增加发电量。安装烟气回热加热器及水水换热器，使烟气在闭式水和烟气回热加热器内进行热交换；吸收烟气余热后的闭式水进入水水换热器内与凝结水进行热交换，再将热量带入主凝结水系统。

(2)加热热网循环水。替代(或部分替代)常规的热网加热器，节省了热网加热器的加热蒸汽量，增加了发电量。凝结水(或热网水)加热系统如图1所示。

(3)预热冷风。用水水换热的暖风器替代(或者部分替代)常规蒸汽暖风器，即以一次循环水为热媒，将在烟气侧吸收的热量释放给一次、二次冷风。将进入空气预热器(以下简称空预器)前的冷风预加热，以减少常规蒸汽暖风器的辅助蒸汽用量，增加机组做功量，提高全厂发电效率，并能够预防空预器受热面低温段酸腐蚀，达到“双赢”的效果。空气预热系统如图2所示。

图2 空气预热系统

2.2 换热量计算分析

氟塑料低温省煤器性能设计边界参数见表1。

总传热系数

表1 性能设计参数

(1)

式中：h1,h2为管内、外换热系数；λ为管道导热系数；δ为管壁厚度。

氟塑料低温省煤器的换热量

Q=kAΔtm，

(2)

(3)

式中：A为换热面积；Δtm为平均温差；Δtmax为最高温度；Δtmin为最低温度。

根据所述水媒间接加热技术方案和传热学理论，相关参数采用氟塑料材质实测数据。烟气通过低温省煤器后温度从123.4 ℃降到95.6 ℃，2 930.1 t/h烟气放热量为23.90 MW；低温省煤器水侧的温度从50.2 ℃升高到88.8 ℃，每小时吸热量为22.29 MW。从烟气和闭循环水的换热量方面分析，该技术方案是可行的。

2.3 经济性分析

为选择经济性最佳的余热利用方案，分别对凝结水、热网水、冷风预热方案进行热力性能计算，核算汽轮机热耗率降低值、厂用电率增加值、煤耗率降低值和节水量[3]。凝结水预热方案的年利用小时数按5 500 h计算，热网水和冷风预热方案的年利用小时数按2 750 h计算；热网水预热方案与辅汽供热方案进行对比，因此只考虑发电部分的经济效益；冷风预热方案中，氟塑料烟气冷却器、氟塑料暖风器的新增烟气流阻都取0.5 kPa。计算结果见表2～表5(T-MCR工况)。

表2 汽轮机热耗率降低值及节煤量计算

表3 厂用电量增加值及耗煤量计算

表4 综合节约标准煤、节水量计算

表5 经济效益计算

由计算结果可知，由于辅助蒸汽参数比七段抽汽参数高，热网水、冷风预热方案降低热耗率的效果更为显著。但热网水、冷风预热方案年利用小时数低，1年仅投运6个月，其年节水量大大小于凝结水预热方案。按该厂所处区域标煤价格为145.31元/t，工业水价4.5元/t计算，冷风预热方案由于年利用小时数小、厂用电量增加值较大，综合经济效益最差，凝结水预热方案综合经济效益最佳，因此采用加热凝结水方案。

3 工程应用

某660 MW燃煤空冷机组低温省煤器烟气余热回收系统采用水媒间接二次换热，所有换热管和布管系统采用氟塑料材料，由1组烟气换热器和1组水水换热器组成。换热器之间由管道连接，以闭式水为换热介质，闭式循环水质为除盐水。闭式循环水在低温省煤器中吸收烟气热量，然后通过循环水泵输送到布置在汽轮机房内的水水换热器，把热量传给凝结水，通过改变凝结水的流量可以改变排烟温度或者凝结水出口温度。

该机组较低的排烟温度(123.4 ℃)和较高的#7低加出口水温(88.74 ℃)决定了水/水换热器在热力系统的接入位置。采用并联方式从#7低加入口的凝结水管道抽出部分凝结水到水/水换热器加热后回到#6低加入口的连接方式最为合适。

氟塑料低温省煤器布置在电除尘器后，换热器管束为U型设计，低温省煤器管束通过起重机从烟道顶部安装就位。烟气由123.4 ℃冷却至95.6 ℃，闭式循环水从50.2 ℃加热到88.8 ℃，再通过水/水换热器，把凝结水从48.0 ℃加热至86.0 ℃。低温省煤器冷端实际壁温在酸露点以下，整个换热表面存在低温酸露点腐蚀，由于采用耐腐蚀的氟塑料材质，可以完全抵御酸露点腐蚀，在这种工况下长期稳定工作。同时，可将烟气降至更低的温度，从而回收更多的热量，大幅度减少脱硫岛的整体水耗，提升整个电厂的热效率。

4 结束语

综上所述，氟塑料低温省煤器具有强耐腐蚀性、低导热系数以及小直径管密集排列结构形式的特点，虽然造价较金属低温省煤器高，但通过性能计算和经济性分析，其可利用的烟气余热较多，运行寿命长，维护费用低，工程应用效果良好。若长期运行，氟塑料低温省煤器经济性更佳。

参考文献：

[1]王岩.氟塑料低温省煤器在燃煤电站的应用[J].能源与节能，2013(5)：119-120.

[2]康晓妮,马文举,马涛,等.320 MW机组锅炉加装低温省煤器的经济性研究[J].热力发电,2012,41(5)：8-11.

[3]刘朝晖.火力发电厂排烟及循环水余热利用系统设计及分析[D].重庆：重庆大学，2012.