高效蒸汽加熱技術(shù)在低低溫電除塵器中的優(yōu)化及應(yīng)用

程永新，田慶峰

（中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430071）

高效蒸汽加熱技術(shù)在低低溫電除塵器中的優(yōu)化及應(yīng)用

程永新，田慶峰

（中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，武漢 430071）

為防止低低溫電除塵器灰斗積灰及瓷軸瓷套結(jié)露“爬電”，需提高除塵器加熱系統(tǒng)功率。以某600 MW機(jī)組超低排放技改項目中低低溫電除塵器加熱系統(tǒng)為例，將除塵器灰斗、灰斗氣化風(fēng)、瓷軸瓷套電加熱方式改造成安全高效的蒸汽加熱系統(tǒng)，與電加熱或常規(guī)蒸汽加熱方案相比，節(jié)能效果顯著，全系統(tǒng)沒有產(chǎn)生閃蒸蒸汽，蒸汽熱能利用率可達(dá)90%，并且對灰斗加熱、瓷軸瓷套加熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，可徹底解決加熱部件溫度不均勻、灰斗積灰、腐蝕及瓷軸瓷套“爬電”短路等問題。

低低溫電除塵器；蒸汽加熱；電加熱；灰斗積灰；灰斗氣化風(fēng)；瓷軸瓷套

0 引言

低低溫電除塵器可將入口煙氣溫度降至酸露點以下（約為85～90℃），使電除塵在低低溫狀態(tài)下運(yùn)行。由于灰的溫度降低及灰中吸附大量的SO3，導(dǎo)致灰的濕度和黏度提高，增加了灰斗及輸灰管堵塞風(fēng)險[1，2]。絕緣瓷套溫度下降易造成絕緣子積灰腐蝕及結(jié)露“爬電”，影響到電除塵安全運(yùn)行。目前電除塵器加熱系統(tǒng)大部分采用管（板）式電加熱或常規(guī)蒸汽加熱方案，前者將增加廠用電，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性；后者加熱后的排水仍為高溫飽和水，會產(chǎn)生大量閃蒸蒸汽，熱能利用率約為70%，造成能源的浪費和視覺的污染[3-5]。為此，提出一種節(jié)能高效的蒸汽加熱方式，使低低溫電除塵器加熱系統(tǒng)（包含灰斗、灰斗氣化風(fēng)、瓷軸瓷套吹掃風(fēng)）合理利用熱量，做到梯級用能，“能”盡其用，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

1 高效蒸汽加熱技術(shù)

高效蒸汽加熱技術(shù)是指低低溫電除塵器的灰斗、灰斗氣化風(fēng)、瓷軸瓷套全部采用蒸汽加熱，并對熱量進(jìn)行充分利用，既滿足低低溫電除塵器的加熱需求，又最大限度減少蒸汽消耗。主要系統(tǒng)方案為：輔助蒸汽（壓力0.9～1.0 MPa，溫度為200～372℃）經(jīng)過減壓裝置后，壓力保持在0.7 MPa，先對灰斗的四面區(qū)域（2/3灰斗高度以下）進(jìn)行加熱，使灰斗外壁溫度達(dá)到100～120℃?；叶芳訜岷蟮娘柡退蚱旌衔镌龠M(jìn)入灰斗氣化風(fēng)及瓷軸瓷套吹掃風(fēng)蒸汽加熱器，分別將灰斗氣化風(fēng)加熱到120～130℃、瓷軸瓷套吹掃風(fēng)加熱到110～120℃，最后以60～70℃的過冷水直接排放到回收點利用，如圖1所示。

圖1 高效蒸汽加熱系統(tǒng)示意

該系統(tǒng)與常規(guī)蒸汽加熱方案不同之處在于，灰斗加熱后帶壓力飽和水的熱量得到了進(jìn)一步利用，最終以較大過冷度的低溫水排出，全系統(tǒng)沒有閃蒸蒸汽產(chǎn)生，蒸汽的熱能利用率可達(dá)90%。因此，可顯著降低蒸汽耗量，是一種高效節(jié)能的蒸汽加熱方式。

2 低低溫電除塵器加熱系統(tǒng)技改方案

以某600 MW機(jī)組低低溫電除塵器加熱系統(tǒng)為例，對電加熱改造為高效蒸汽加熱方案進(jìn)行分析。

2.1 除塵器加熱系統(tǒng)技改前后主要技術(shù)參數(shù)

該項目每臺機(jī)組配置2臺雙室四電場除塵器，共有32個灰斗、136個瓷軸瓷套、1套氣化風(fēng)系統(tǒng)。在灰斗錐部的夾層空間中，安裝4只2 kW的管式電加熱器。瓷軸瓷套布置在頂部的1個大密閉空間（絕緣室）內(nèi)，每個瓷套下部安裝1只1 kW的環(huán)形電加熱器。

超低排放技改方案中，在除塵器入口設(shè)置煙氣冷卻器，使煙溫降低至85℃，低于酸露點?，F(xiàn)有電除塵器改為低低溫電除塵器。因此，除塵器加熱系統(tǒng)所需的熱量較改造前需大幅提高，除塵器技改前后加熱系統(tǒng)功率變化對比如表1所示。

由表1可知，低低溫電除塵器加熱功率較技改前需增加548 kW（單臺爐），增幅約127%。考慮到電加熱和傳統(tǒng)蒸汽加熱方案的不經(jīng)濟(jì)性，采用高效蒸汽加熱技術(shù)對除塵器加熱系統(tǒng)進(jìn)行改造，將灰斗蒸汽加熱后的飽和水在瓷套瓷軸加熱器和灰斗氣化風(fēng)加熱器中進(jìn)一步放熱，充分利用飽和水的顯熱，最后以60～70℃的過冷水排放出去，其熱效率可以接近90%。由于飽和水的熱功率小于氣化風(fēng)和吹掃風(fēng)的加熱功率，因此還需要補(bǔ)充部分蒸汽，氣化風(fēng)與吹掃風(fēng)蒸汽加熱器的熱源，實際上是汽水混合物。相應(yīng)的系統(tǒng)耗量如表2所示。

表1 600 MW機(jī)組除塵器技改前后加熱系統(tǒng)功率變化對比（單臺爐）

表2 600 MW機(jī)組低低溫電除塵器蒸汽加熱系統(tǒng)耗量（單臺爐）

低低溫電除塵器加熱系統(tǒng)包括灰斗加熱、灰斗氣化風(fēng)加熱、瓷軸瓷套吹掃風(fēng)加熱等3部分。其中：灰斗加熱裝置有32組，每個灰斗為1組，全部并聯(lián)加熱；灰斗氣化風(fēng)加熱器1臺；瓷軸瓷套吹掃風(fēng)加熱器2臺，加熱系統(tǒng)示意布置如圖2所示。

2.2 灰斗蒸汽加熱方案

圖2 600 MW機(jī)組低低溫電除塵器高效蒸汽加熱管路布置示意

該項目除塵器灰斗中上部為單層灰斗、下部為夾層灰斗。在錐部的夾層灰斗區(qū)域，安裝了4只管式電加熱器（功率合計8 kW）。改成低低溫除塵器后，需增加灰斗加熱面積，加熱區(qū)域要達(dá)到灰斗高度的2/3[6-7]，故需拆除錐部的電加熱器，并在原有電加熱器區(qū)域，插入蒸汽盤管。在夾層上方的單層灰斗區(qū)域，四周布置4面蛇形盤管?？紤]到夾層灰斗的下部錐部沒有加熱裝置，而此處溫度是最低的，需要大功率加熱。為此，在錐部的下面段安裝2片插入式翅片管散熱器，使下灰順暢。因此，灰斗蒸汽加熱器包括3個部分：中上部的蛇形盤管、夾層灰斗上段的插入式盤管和夾層灰斗下段的插入式翅片管散熱器。每個灰斗共用1根進(jìn)汽管和出水管，汽水進(jìn)出口設(shè)球閥以便檢修，灰斗蒸汽加熱管布置見圖3。

圖3 灰斗蒸汽加熱管布置示意

灰斗蒸汽加熱器采用Φ32 mm×3 mm的盤管結(jié)構(gòu)，每個灰斗的散熱面積約22 m2。在設(shè)計參數(shù)下，散熱溫差為70℃，盤管綜合放熱系數(shù)13 W/（m2·℃），因此每個灰斗盤管的散熱功率為（22×13×70）/1 000≈20 W。 灰斗加熱后的飽和水經(jīng)過分流器引入瓷套瓷軸及氣化風(fēng)加熱器。

灰斗加熱是自然對流和輻射換熱的綜合，要獲得最佳自然對流，需減少自然對流阻力。因此，與常規(guī)蒸汽灰斗加熱相比，在布置方式上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計：即在保溫層與壁面之間隔出1個100 mm的夾層空間；盤管離壁面的距離為50 mm；在盤管外面一定距離覆蓋鋁箔，高反射率的鋁箔既可強(qiáng)化盤管的低溫輻射換熱，又可加強(qiáng)保溫，其加熱效果好于普通的貼壁盤管加熱，優(yōu)化后的灰斗加熱及保溫結(jié)構(gòu)布置見圖4。

2.3 灰斗氣化風(fēng)加熱方案

改造時可保留原有氣化風(fēng)電加熱器（不通電僅作為風(fēng)道使用），新增灰斗氣化風(fēng)蒸汽加熱器，與原有電加熱器并聯(lián)布置，通過閥門與電加熱系統(tǒng)隔離，即可實現(xiàn)2個加熱器的切換運(yùn)行和蒸汽加熱器的檢修。氣化風(fēng)由原來的羅茨風(fēng)機(jī)出來，進(jìn)入蒸汽加熱器，將氣化風(fēng)溫度加熱到120℃以上，使灰斗底部的灰松動干燥，防止板結(jié)。新增蒸汽加熱器功率大于原有電加熱功率38 kW即可，需要的飽和水量為357 kg/h。

圖4 灰斗加熱及保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

灰斗氣化風(fēng)蒸汽加熱器采用高效安全型汽水加熱器，通過安全換熱元件的強(qiáng)化換熱，將冷空氣加熱到120～130℃，而排水溫度在70℃以下。由于是連續(xù)帶壓排水，便于回收利用。

2.4 瓷軸瓷套吹掃風(fēng)加熱方案

該項目除塵器瓷套與瓷軸是一體式的，位于除塵器頂部大絕緣室內(nèi)，單臺爐共計136個瓷軸瓷套。瓷軸在瓷套上方，與煙氣不接觸。瓷套內(nèi)部與煙氣相通，上部有蓋板，其溫度接近煙氣溫度。為防止瓷軸瓷套表面結(jié)露“爬電”產(chǎn)生短路現(xiàn)象，需將熱空氣對瓷軸與絕緣子進(jìn)行表面吹掃加熱，并導(dǎo)入瓷套內(nèi)部排擠煙氣，保證絕緣子不積灰結(jié)露。

對于吹掃風(fēng)蒸汽加熱器，需要給136個吹掃點供風(fēng)，每個吹掃點的風(fēng)量（換算至標(biāo)況）按不低于40 m3/h設(shè)計，則總風(fēng)量不低于5 440 m3/h，且溫度不低于110℃。經(jīng)計算，灰斗加熱的剩余飽和水量783 kg/h（相當(dāng)于熱量98 kW），還需要補(bǔ)充290 kg/h的蒸汽（相當(dāng)于熱量202 kW）。設(shè)置2臺150 kW吹掃風(fēng)蒸汽加熱器、4臺吹掃風(fēng)機(jī)（2用2備），均布置在除塵器下方零米層。吹掃風(fēng)經(jīng)過2臺并聯(lián)的吹掃風(fēng)蒸汽加熱器后匯入總風(fēng)管，輸送到除塵器頂部并分成左右支管，再進(jìn)入位于絕緣室的8根分支管，最后從瓷套周圍環(huán)形管圓孔處吹出，如圖5所示。

為使瓷套內(nèi)壁吹掃效果更好，對瓷套頂蓋開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖6所示。使從小孔出來的射流風(fēng)增大擴(kuò)散角，讓熱風(fēng)對瓷套內(nèi)壁進(jìn)行有效吹掃。

圖5 瓷軸瓷套吹掃風(fēng)布置示意

圖6 瓷套頂蓋吹掃口優(yōu)化布置示意

通過對瓷套圓環(huán)及頂蓋螺栓孔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，抵消瓷套內(nèi)部的高負(fù)壓，以維持大絕緣室微正壓運(yùn)行。根據(jù)圓孔的大空間自由射流計算及瓷套內(nèi)受限空間射流的附壁效應(yīng)分析，在瓷套出口截面處，所有射流正向流動，煙氣無法進(jìn)入瓷套內(nèi)部。采取上述優(yōu)化措施后，對瓷軸瓷套的均勻加熱和吹掃問題徹底得以解決。

瓷套瓷軸吹掃風(fēng)蒸汽加熱器與氣化風(fēng)蒸汽加熱器相同，也是高效安全型汽水加熱器，均采用特殊的結(jié)構(gòu)和保安控制系統(tǒng)，能夠有效防止氣化風(fēng)和吹掃風(fēng)帶水。

3 技改前后節(jié)能效果分析

超低排放改造后，除塵器為低低溫除塵器，為防止低低溫電除塵器灰斗積灰及絕緣子結(jié)露“爬電”，需提高加熱系統(tǒng)的功率[8]，單臺爐由430 kW提升至978 kW。

若采用電加熱方案，將消耗大量的電能，增加了廠用電率，影響了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。如果按傳統(tǒng)的蒸汽加熱改造，僅僅將電除塵器的灰斗改成蒸汽加熱，其排水為高溫飽和水，排放后還會產(chǎn)生15%以上的閃蒸蒸汽，熱利用效率只有70%左右，既浪費能源又有視覺污染。

在采用高效蒸汽加熱方案后，考慮加熱消耗的蒸汽成本。假定供熱標(biāo)煤耗39.5 kg/GJ、發(fā)電標(biāo)煤耗0.285 kg/kWh、標(biāo)煤價 900元/t，對蒸汽加熱方案與電加熱方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。電加熱方案的年煤耗量 978×5 000×0.285=1 393.65 t，煤耗成本1 393.65×900=125.43萬元。蒸汽加熱方案的年煤耗量 1 430×3 052×5 000×10-6×39.5=861.96 t，煤耗成本861.96×900=77.58萬元。可知采用蒸汽加熱方案單臺爐年節(jié)省標(biāo)煤量531.69 t，直接運(yùn)行成本節(jié)省47.85萬元。蒸汽加熱系統(tǒng)改造方案增加成本約175萬元，經(jīng)測算投資回收期約3.7年。除塵器技改前后加熱方案經(jīng)濟(jì)性對比如表3所示。

表3 600 MW機(jī)組除塵器技改前后加熱方案經(jīng)濟(jì)性對比（單臺爐）

該技改項目低低溫電除塵器蒸汽加熱系統(tǒng)已于2016年3月投入運(yùn)行，目前運(yùn)行良好，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)語

某600 MW機(jī)組超低排放技改項目中，將電除塵器入口煙氣溫度降至酸露點以下，為解決低低溫電除塵器灰斗積灰及絕緣子結(jié)露“爬電”問題，加熱功率增加約1.27倍，若采用電加熱，則增加了機(jī)組運(yùn)行費用。采用高效蒸汽加熱技術(shù)方案后，其蒸汽耗量比常規(guī)的除塵器蒸汽加熱方案減少20%，全系統(tǒng)沒有產(chǎn)生閃蒸蒸汽，蒸汽熱能利用率可達(dá)90%，且運(yùn)行費用比電加熱低，節(jié)能降耗效果顯著。

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Optimization and Application of High Efficiency Steam Heating Technology in Low-low Temperature ESP

CHENG Yongxin，TIAN Qingfeng

（Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430071， China）

In order to prevent low-low temperature electrostatic precipitator （ESP） ash fouling and creepage due to ceramic shaft and bushing condensation，it needs to improve the heating system power of the ESP.Taking low-low temperature ESP heating system in ultra-low emission technological transformation project of 600 MW units as an example， electric heating of precipitator ash bunker， ash bucket gasification wind， ceramic shaft and bushing is transformed into safe and efficient steam heating system，which is characterized by its remarkable energy saving effect compared with electric heating and traditional steam heating； besides，there is no flash steam and heat energy utilization rate of the steam is up to 90%.The ash bucket heating and ceramic shaft and bushing heating system is optimized to completely handle uneven temperature of the heated parts,ash bunker fouling，corrosion and short circuit due to ceramic shaft and bushing creepage.

low-low temperature ESP； steam heating； electric heating； ash bucket fouling； ash bucket gasification wind；ceramic shaft and bushing

10.19585/j.zjdl.201709016

1007-1881（2017）09-0075-05

X773

B

2017-05-31

程永新（1981），男，高級工程師，從事火力發(fā)電廠熱機(jī)設(shè)計工作。

（本文編輯：陸 瑩）