低温省煤器与暖风器联合系统中暖风器防冻技术

李 楠，张知翔，魏 萌，邹小刚，车宏伟，徐党旗，周 飞，姬海民

（1.西安西热锅炉环保工程有限公司，陕西 西安 710054；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

随着全面燃煤电厂超低排放的实施和节能改造工作的推进，低氮燃烧系统、烟气脱硝系统、湿法脱硫系统、湿式电除尘器系统等得到了广泛应用，上述系统在满足环保标准的同时，也出现了一些问题。如排烟温度升高导致的锅炉效率降低和电除尘器效率降低，脱硝氨逃逸率升高导致的空气预热器（空预器）堵塞和阻力升高[1]，湿法脱硫系统水耗升高，厂用电率升高等，这会对机组节能降耗产生不利影响[2-3]。

由于低温省煤器系统在回收余热、节约能源的同时，也是燃煤电厂超低排放改造的有益补充，能够配合静电除尘器改造，提高除尘效率，降低环保改造成本，具有较好的经济效益，因此在超低排放和节能改造的大背景下，低温省煤器系统得到了快速发展和进一步的优化[4-6]。低温省煤器与暖风器联合系统就是在低温省煤器系统的基础上，利用暖风器提高空预器入口风温，缓解氨逃逸率升高导致的空预器和低温省煤器阻力升高和堵塞，同时提高锅炉效率和低温省煤器节能收益，对超低排放和节能改造具有重要意义[7-8]。

根据暖风器热源的不同，低温省煤器与暖风器联合系统主要有低温省煤器供暖风器系统、凝结水供暖风器系统、低品位抽汽供暖风器系统等几种形式，暖风热源分别为低温省煤器出口热水、机组低压加热器（低加）系统凝结水和低品位抽汽，其中低温省煤器出口热水和机组低加系统凝结水应用最为广泛[8-10]。以低温省煤器出口热水作为暖风器热源时，暖风器入口水温一般在100~130 ℃之间，出口水温一般控制在70 ℃左右；以机组低加系统凝结水作为暖风器热源时，暖风器入口水温一般在80~100 ℃之间，出口水温一般控制在40 ℃左右。低温省煤器与暖风器联合系统中暖风器出口水温较低，在环境温度较低、机组低负荷运行时，暖风器出口水温低、流量小，易出现换热管冻裂，暖风器系统无法投运的情况，威胁系统安全。

暖风器防冻问题严重影响低温省煤器与暖风器系统在北方地区的应用，需要对其进行深入研究以便低温省煤器与暖风器联合系统的推广应用[11-12]。因此，本文对暖风器换热管冻裂原因和防冻方法进行研究，提出暖风器防冻设计原则，并对内蒙古某600 MW机组暖风器防冻改造实例进行介绍。

1 暖风器换热管冻裂原因分析及改进方法

1.1 原因分析

低温省煤器与暖风器联合系统中，暖风器冻裂位置一般有2处：一处是暖风器换热管弯头，一处是暖风器最下层模块的最下面几排换热管。导致暖风器换热管冻裂的原因可以从暖风器结构以及低温省煤器与暖风器联合系统设计两个方面来分析[13-14]。

1）暖风器结构 暖风器换热管弯头一般由换热管拉伸、弯曲制成，壁厚比换热管薄，以常用规格Φ38 mm×5 mm换热管为例，制作成弯头壁厚约3.5 mm左右，弯头强度减弱，容易被冻裂；暖风器联箱采用下进上出方式布置时，下联箱弯头处易存水；暖风器大多采用蛇形管且换热管水平布置，停运时换热管内的水不能有效放尽；暖风器模块数量设计较少、集箱进出口方式不合理导致换热管内工质分配不均。

2）低温省煤器与暖风器系统设计 暖风器换热管一般采用水平布置方式，逆流换热，冷水和冷风在换热器同一侧，在换热管内流量较小或换热管存水情况下，易导致换热管冻裂；暖风器换热管内设计流速较低，在环境温度较低且低负荷工况下，换热管内流量较小，易导致换热管冻裂。

1.2 改进方法

1）暖风器结构改进 对暖风器换热管弯头处进行加厚，采用厚壁管拉伸、弯曲制作弯头；合理增加暖风器模块数量，削弱重力对并联集箱流量分配的影响，单台一次风暖风器模块数量不少于3个，单台二次风暖风器模块数量不少于4个[15]；改变暖风器集箱工质进出方式，由下进上出方式改为下进下出方式[15-16]；暖风器换热管竖直布置，换热管与集箱之间直接连接，不设置弯头。

2）低温省煤器与暖风器系统设计改进 提高暖风器换热管内设计工质流速，确保满负荷时暖风器换热管内流速不低于1 m/s，低负荷时不低于0.5 m/s，并设置最低循环水流量报警；暖风器设置快速放水系统和压缩空气吹扫装置；暖风器系统采用顺流、逆流切换运行方式等。具体改进措施如下。

在入口大集箱、出口大集箱底部加装排污阀和排污管道，与各模块排污管道一起汇入总排污管道，总排污管道上用电动闸阀隔离，集箱排污阀应装在模块最低点，低于最下方一根换热管。各集箱、模块排污阀处于常开状态，总排污管道电动闸阀关闭，在系统故障暖风器退出运行时，可以通过快速打开总排污管道电动闸阀将暖风器内大部分水排尽，避免换热管大面积结冻。另外，引一路仪用压缩空气至暖风器各模块排汽管道处，并用手动闸阀相隔离，暖风器退出运行后及时用压缩空气对各模块进行吹扫，将残余积水排尽。

在暖风器进、出口大集箱进、出水管道上设置旁路和切换阀门，环境温度较低且低负荷工况下，可将暖风器由逆流换热切换为顺流换热，提高暖风器出口水温和工质流量，减少暖风器最下层模块的最下面几排换热管冻裂风险。该方案会导致低温省煤器与暖风器系统节煤量降低约0.4 g/(kW·h)。

若热水暖风器布置位置前风道较长，有充足空间，则考虑在热水暖风器前布置前置蒸汽暖风器，蒸汽暖风器采用可旋转结构，热源取自机组辅助蒸汽，在环境温度较低且低负荷工况下投运，提高热水暖风器入口风温在0 ℃以上[11]。

在暖风器入口凝结水管道上设置辅助蒸汽加热器，该方案适用于低加凝结水作为暖风器热源情况，可以将暖风器入口水温由80~100 ℃提高至100~130 ℃，对提高暖风器出口水温和减少换热管冻裂风险有一定作用。

从空预器出口风道引一部分热风至一次风机或送风机入口，在环境温度较低且低负荷工况下投运，提高暖风器入口风温到0 ℃以上。该方案通常适用于5%以内的循环风量，循环风量大会导致一次风机或送风机出力不足，锅炉效率降低。由于采用热风再循环方式后，暖风器入口冷风烟尘质量浓度可达10~50 mg/m3，暖风器受热面存在积灰和磨损风险，因此该方案适用于横向节距和翅片节距较大的H型翅片管暖风器，不适用于翅片节距较小的螺旋翅片管暖风器和采用小型翅片的H型翅片管暖风器。采用热风再循环方式提高暖风器入口风温时，需在暖风器受热面前设置声波吹灰器。

针对北方地区有条件的电厂，可采用室内室外混合进风的方式提高暖风器入口风温。对于原冬季采用室内取风方式的电厂，可对其室内取风的风道挡板门进行改造，更换为具有中停功能的电动挡板门。由于采用室内取风方式会增加锅炉房漏风率以及锅炉本体散热量，从而增加锅炉房内其他设备防冻风险、降低锅炉效率，因此采用室内取风方式提高暖风器入口风温前，应通过试验确定室内室外混合进风时的风量比，并以此校核极端工况下能够满足暖风器安全运行的要求。

对于已经投运的低温省煤器与暖风器联合系统，除采用上述改造方案对暖风器进行防冻改造外，还可通过以下运行控制方案降低暖风器冻裂风险：环境温度较低时，切除暖风器最下层的模块，提高暖风器换热管内工质流速和暖风器出口水温；增加循环水泵频率，提高循环水流量和换热管内工质流速；冬季起炉时低温省煤器与暖风器联合系统先不投运，待机组负荷高于50%THA时方可投运，投运时前置蒸汽暖风器、热风再循环或室内室外混合进风均需提前投运；计划停炉前需提前切除暖风器并进行放水操作，同时投运前置蒸汽暖风器、热风再循环或室内室外混合进风；紧急停炉时需保持循环水泵处于运行状态，尽快切除暖风器并进行放水操作。

上述暖风器防冻改进方案中，暖风器结构上的改进需在低温省煤器与暖风器联合系统改造前进行。系统改进方案中，增设快速放水系统、增设压缩空气吹扫装置以及顺流、逆流切换运行改造可适用于所有系统；在暖风器入口凝结水管道上设置辅助蒸汽加热器适用于凝结水供暖风器系统；前置蒸汽暖风器需考虑是否有布置空间；热风再循环方式需考虑风机出力、暖风器受热面型式以及风机叶片磨损问题；采用室内室外混合取风方式需考虑锅炉房内设备防冻以及室内室外风量比能否满足暖风器防冻要求。

2 暖风器防冻改造

内蒙古某600 MW机组低温省煤器与暖风器联合系统于2015年12月投运，低温省煤器布置在静电除尘器前水平烟道上，回收机组烟气余热；二次风暖风器热源采用汽轮机7号低压加热器（低加）入口与6号低加入口混合的凝结水，冷却后的凝结水返回至凝结水泵出口母管至除氧器上水调节阀后，受热面布置于送风机出口水平风道处。该机组低温省煤器与暖风器联合系统如图1所示。

图1 某600 MW机组低温省煤器与暖风器联合系统示意Fig.1 Schematic diagram of the combined system of low pressure economizer and air heater

由于系统投运时环境温度低，暖风器防冻准备工作不足，二次风暖风器最下层模块换热管冻裂，影响机组安全运行。根据分析，导致二次风暖风器换热管冻裂的主要原因是二次风暖风器换热管为水平布置，受热面酸洗后换热管内的积水未能放尽，导致换热管冻裂。二次风暖风器布置方式和受热面结构分别如图2、图3所示，二次风暖风器设计参数见表1。

图2 二次风暖风器布置Fig.2 The layout of secondary air heater

图3 二次风暖风器受热面结构Fig.3 The structure of heating surface of the secondary air heater

表1 原二次风暖风器设计参数Tab.1 Design parameters of the original secondary air heater

为了保证二次风暖风器退出运行时或者受热面冲洗后能够将换热管内积水排尽，在对该机组二次风暖风器冻裂的换热管进行更换后，增设了快速放水系统和压缩空气吹扫系统，具体改造方案如下：1）增设1个压缩空气罐，气源为机组仪用压缩空气，由压缩空气母管分别引4路支管至暖风器4个模块集箱凝结水出口管道，母管和支管分别用手动截止阀隔离，新增1个DN40手动截止阀、4个DN25手动截止阀；2）将暖风器模块排污阀由DN32更换为DN50，在暖风器入口大集箱最低处设置DN100排污阀和排污管道，大集箱和各模块排污管道一起汇入总排污管道，总排污管道上用手动闸阀隔离。二次风暖风器快速放水系统和压缩空气吹扫系统改造如图4所示。

图4 快速放水系统和压缩空气吹扫系统Fig.4 The quick drainage system and compressed air purge system

由于布置空间受限，原二次风暖风器受热面布置在送风机出口水平风道处，前置蒸汽暖风器布置在锅炉房零米处易出现疏水不畅等问题，因此不适合采用前置式蒸汽暖风器来提高暖风器入口风温。该电厂所处地区环境温度最低可达-30 ℃，采用热风再循环方式时循环风量高，送风机出力不足，锅炉效率降低明显。且二次风暖风器为小节距螺旋翅片管，防堵塞能力弱，不适合采用热风再循环方式提高暖风器入口风温。

采用室内室外混合取风方式需要取1/3室内风并加热至60 ℃后与室外风混合，极端工况下将暖风器入口风温提高至0 ℃以上，增加发电煤耗0.53 g/(kW·h)[17-18]。由于该电厂锅炉房密封效果较差，采用室内室外混合取风方式导致室内负压升高，漏风处管道及设备结冻风险大，因此不适合采用室内室外混合取风方式提高暖风器入口风温。

因此，在后续机组低温省煤器与暖风器联合系统改造中，对二次风暖风器受热面结构进行了优化，具体优化方案如下：1）换热管采用竖直布置方式，换热管与集箱之间直接连接，不设置弯头，暖风器正下方预留地坑作为集箱布置位置和焊接工作面；2）沿空气流动方向，凝结水分为6个流程，每个小集箱连接3排换热管，提高换热管内设计工质流速，保证其低负荷时不低于0.5 m/s；3）小集箱之间用2根DN32的联络管连接，暖风器顶部联络管设排气，底部联络管设排污，排污管道直接接入地坑或其他指定位置。二次风暖风器优化后的布置方式和受热面结构分别如图5、图6所示，设计参数见表2。

图5 优化后的二次风暖风器布置Fig.5 The optimized layout of the secondary air heater

图6 优化后的二次风暖风器结构Fig.6 The optimized structure of the secondary air heater

表2 优化后二次风暖风器设计参数Tab.2 The optimized design parameters of the secondary air heater

3 防冻设计原则

在上文暖风器换热管冻裂原因及改进方法分析基础上，考虑不同机组所处地区环境温度差异以及防冻要求的不同，提出以下暖风器防冻设计原则，为低温省煤器与暖风器联合系统改造参考。

环境温度不低于0 ℃时，无需考虑暖风器防冻设计；冬季环境温度低于0 ℃时，均需设置快速放水系统和压缩空气吹扫系统；环境温度在-10~0 ℃时，一次风暖风器可不采取防冻措施，二次暖风器采用顺流、逆流切换运行方式；环境温度在-20~-10 ℃时，一次风暖风器和二次风暖风器均采用顺流、逆流切换运行方式，采用前置蒸汽暖风器、热风再循环方式或室内室外混合取风方式；环境温度在-20 ℃以下时，一次风暖风器和二次风暖风器均采用顺流、逆流切换运行方式，采用前置蒸汽暖风器或热风再循环方式和室内室外混合取风方式共用。

4 结 论

1）在暖风器结构上采取加厚弯头，提高换热管内设计工质流速，增加暖风器模块数量等方式，以及在低温省煤器与暖风器联合系统中采取设置快速放水装置、压缩空气吹扫装置、前置蒸汽暖风器，在入口水管道上设置辅助蒸汽加热器，热风再循环，室内室外混合取风等防冻方式，可以解决低温省煤器与暖风器联合系统中暖风器防冻问题。

2）对于已经投运的低温省煤器与暖风器联合系统，可通过运行控制降低暖风器冻裂风险。

3）对于不同机组所处地区环境温度差异以及防冻要求的不同，暖风器防冻设计需根据机组实际情况进行分析选择。