波紋板安全吹灰蒸汽參數(shù)分析

趙建新

（廣東省粵電集團有限公司沙角C電廠，廣東省 東莞市 523000）

0 引言

我國的脫硫技術主要來源于日本和德國，而日本與德國國內(nèi)使用的基本都是濕法脫硫，如果不加裝回轉式煙氣-煙氣換熱器(gas-gas heater，GGH)，煙囪出口會出現(xiàn)明顯的白色煙羽，嚴重時還會產(chǎn)生石膏雨。因此，國內(nèi)早期脫硫項目基本都安裝了回轉式GGH。

國內(nèi)大多數(shù)使用 GGH脫硫的電廠都會在檢修 GGH波紋板時遇到大面積損壞的問題，這類損壞不僅會造成嚴重的經(jīng)濟損失，還會影響整個脫硫系統(tǒng)的運行。為了定期清除 GGH波紋板上的污垢，一般采用高壓水或高壓蒸汽吹除[1-8]。

近年來國內(nèi)燃煤機組超低排放改造迅速推進，回轉式 GGH大部分都被拆除，但是與回轉式 GGH類似的空氣預熱器由于氨逃逸導致的硫酸氫銨堵塞現(xiàn)象較為常見，因此空氣預熱器波紋板吹損問題的研究就顯得尤為重要。

本文對某廠蒸汽吹灰進行了分析，并與高壓水沖洗進行對比，分析吹灰蒸汽參數(shù)與GGH波紋板損壞的關聯(lián)，提出運行調(diào)整意見。同時提出波紋板的安全吹灰方式以及安全吹灰蒸汽參數(shù)選用標準，為空氣預熱器的安全吹灰提供參考。

1 情況簡介

某電廠 GGH波紋板吹灰采用高壓水和高壓蒸汽2種方式。吹灰噴嘴如圖1所示。雙介質(zhì)吹灰器的2種介質(zhì)在吹灰時是單獨工作。高壓水的壓力可以達到20 MPa。

GGH吹灰蒸汽的壓力在0.8～3.6 MPa。由于吹灰汽源為全廠公用的輔助蒸汽，汽源壓力受發(fā)電機組負荷影響，壓力波動范圍大。雖吹灰蒸汽管路中設置了壓力調(diào)節(jié)閥，實際運行過程中仍會有蒸汽壓力大于2.8 MPa的情況發(fā)生，每次吹灰從最高壓約3.0 MPa到吹灰正常壓力的過程大于30 s，溫度在 220～288 ℃。該廠由于自身的輔汽條件限制，到達脫硫吹灰器的蒸汽溫度偏低，且無較大提升空間，因此運行人員認為提高吹灰蒸汽壓力便可以彌補蒸汽溫度低的缺點，吹灰器停運時將調(diào)節(jié)閥的壓力調(diào)整到約為3 MPa。但實際運行中，每3個月就必須停爐檢修，每次檢修均會發(fā)現(xiàn)大量的波紋板損壞，需要更換，造成了較大的經(jīng)濟損失。

圖1 吹灰噴嘴示意圖Fig. 1 Schematic diagram of soot blower nozzle

2 計算過程

對蒸汽吹灰進行機制分析，吹灰是通過噴嘴出口具有足夠能量的蒸汽將附著在波紋板上的灰垢帶走，其能量形式主要為動能，因此對噴嘴在不同蒸汽參數(shù)條件下的出口速度進行了計算。噴嘴長度僅為20 mm，可以近似忽略其中的熱損失。

蒸汽噴管為拉法爾噴管，蒸汽可以完全膨脹，出口速度達到超音速。將其中的熱力過程視為對外的絕熱過程[9]，遵循公式(1)，即

式中：h0為進入噴嘴前的蒸汽總焓值；h1為噴嘴入口時蒸汽的焓值；h2為噴嘴出口時蒸汽的焓值；cf1為噴嘴入口的初始流速；cf2為噴嘴出口的流速。

由公式(1)推出公式(2)，即

通過文獻[10]可以查詢在一定壓力和溫度下蒸汽的焓值。蒸汽在縮放噴嘴中的流動，可以近似為等熵流動(蒸汽與噴嘴間存在摩擦，實際流動屬于熵增流動，但由于流道較短，熵增較小可以忽略，且按等熵流動計算得到的結果更加安全)，關鍵點如圖2所示。圖2中滯止點參數(shù)為流速為0時蒸汽的溫度和壓強；1點為蒸汽噴嘴進口截面，臨界點為蒸汽噴嘴喉部截面，在一定的壓力范圍內(nèi)，喉部截面為音速截面；2點為噴嘴出口截面，出口的背壓就是 GGH煙道中的壓力，近似取 0.1 MPa。若蒸汽膨脹較大，在噴嘴出口將出現(xiàn)蒸汽帶水，即進入濕蒸汽區(qū)。根據(jù)縮放噴嘴的流動原理，此時，在喉部與噴嘴出口截面之間存在飽和點截面，即該截面處的壓強和溫度參數(shù)值正好是蒸汽的飽和參數(shù)。飽和點的蒸汽不含水，是后面流動分析的主要參照。

圖2 蒸汽流動焓-熵圖Fig. 2 Enthalpy entropy diagram of steam flow

通過遠程和就地測量的吹灰蒸汽壓力及溫度發(fā)現(xiàn)吹灰蒸汽壓力在 0.6～2.6 MPa，溫度在250～290 ℃。取 0.8，1.6，2.6 MPa這 3種不同壓力對吹灰時波紋板上蒸汽的速度進行評估。詳見表1。

3 結果分析

由表1可以看出在溫度不變的情況下，將吹灰壓力從0.8 MPa提升至2.6 MPa，蒸汽從噴嘴飽和點向噴嘴出口移動過程中，進入濕蒸汽區(qū)。也就是說，蒸汽在向噴嘴出口流動過程中會有蒸汽的凝結，蔣文明[11]、華楓[12]和蘇民德[13]等對此問題進行了實驗和數(shù)值模擬研究，主要的結論：超音速飽和蒸汽在速度升高、壓力和溫度降低的流動過程中出現(xiàn)蒸汽凝結，凝結的液滴直徑在 μm級，凝結蒸汽釋放凝結熱，出口速度與不考慮凝結相比，略有降低(干度為80%以上)。

表1 吹灰蒸汽參數(shù)計算表Tab. 1 Calculation table of parameters of soot blowing steam

為避免問題復雜化，在此提出2個速度：飽和點速度和理想出口速度，計算結果見表 1。飽和點速度是蒸汽從噴嘴喉部向噴嘴出口流動過程中，壓力和溫度恰好為飽和點參數(shù)時的蒸汽速度，這個速度是沒有水滴凝結的。理想出口速度是利用等熵過程滯止點和噴嘴出口點的焓值差來計算的蒸汽速度。飽和點速度仍然是超音的，后面的流道是擴張的，因而速度將繼續(xù)增加，但因為水滴凝結，其速度會有所降低。實際噴嘴出口蒸汽速度和水滴速度比理想出口速度略低。

無論是用蒸汽還是水吹灰，波紋板的損傷可以用流體與波紋板間作用力來解釋，即流體以一定速度沖擊到波紋板上后，速度降低為 0，流體對波紋板有力的作用。計算顯示水滴的沖擊力大于蒸汽的沖擊力，為了定量對比蒸汽和蒸汽中水滴對波紋板的沖擊力，在表2的計算中，蒸汽的速度選取噴嘴口較高值，即理想出口速度；而水滴的速度選取較低的值，即飽和點速度。

根據(jù)動量定理，聯(lián)系流體，沖擊力為F=Aρv2(其中F為沖擊力；ρ為流體密度；v為流體速度)；濕蒸汽中的水是以離散的液滴形式存在的，直徑大致為0.01～1 mm。簡單地以該直徑范圍的球體來計算液滴質(zhì)量，以直徑和液滴速度來計算沖擊的時間，就可以求出蒸汽中水滴的沖擊力，其數(shù)值也與密度、接觸面積和速度的平方成正比。

表2 蒸汽和水的沖擊力計算表Tab. 2 Calculation table of steam and water impact force

使用高壓水時，其流速為84 m/s。為了與液滴的沖擊力對比，蒸汽和高壓水的沖擊面設為與蒸汽水滴相同。計算結果見表2。

其中水滴速度取最低值613 m/s，蒸汽密度取0.68 kg/m3，蒸汽速度取最高值1 096 m/s，高壓水的速度取84 m/s，所有水的密度取1 000 kg/m3。

從表2的計算結果來看，水滴沖擊力是水的35.5倍，是蒸汽的307倍。如果蒸汽不含水，其對波紋板的沖擊力小于高壓水的沖擊力，而高壓水的沖力力，大致是直徑1 mm的圓面上，放置0.5 kg的力，此時在波紋板的承壓范圍。但是，當蒸汽中帶水，水滴高速沖擊到波紋板上，其沖擊力將是高壓水的35.5倍，相當于直徑1 mm的圓面上，放置20 kg重的力，足夠造成波紋板的損壞。

出口只有少量水霧的情況下對吹灰效果有一定的好處，可以對堅固漿垢的沖洗起到正面的作用。水霧過多，會對人字波形的隔板產(chǎn)生較大的沖擊力，如果不對出口帶水量進行控制，將無法確保對波紋板的安全使用。若蒸汽吹灰頻率相對較高，還會使波紋板在水霧的作用下大量吸附原煙氣中的粉塵，進而堵塞通道，使 GGH差壓升高，又需要提高吹灰頻率和時間來解決，形成惡性循環(huán)。因此為了保護波紋板需要盡量避免吹灰器噴嘴出口帶水。

以吹灰器出口蒸汽干度為 95.8%為標準，根據(jù)表1的計算過程，得出了0.8～3.0 MPa內(nèi)，蒸汽壓力與蒸汽溫度的關系，如表3所示。

由此可見，高壓蒸汽如果直接作為吹灰汽源，所需的蒸汽溫度較高，能耗較高，因此高壓蒸汽不宜直接吹灰。安全的吹灰方式應該是高壓蒸汽經(jīng)過減壓變?yōu)榈蛪赫羝笤龠M行吹灰。

表3 安全吹灰蒸汽壓力和溫度表Tab. 3 Safety pressure and temperature of soot blowing steam

由于蒸汽減壓的過程為等焓過程，而蒸汽吹灰汽源壓力一般為0.8 MPa左右，因此以0.8 MPa、260℃的蒸汽焓值2 972.0 kJ/kg作為參考，考慮蒸汽流速從高壓的40 m/s提高至低壓的120 m/s，由此得出衡量高壓蒸汽能否作為吹灰汽源的標準是其壓力不小于0.8 MPa、焓值不小于2 978.4 kJ/kg。

4 優(yōu)化運行效果

該廠后續(xù)蒸汽吹灰操作中，蒸汽壓力控制在0.8～1.0 MPa，長期運行顯示，在蒸汽吹灰效果得到保證的基礎上，還可以延長波紋板的壽命。優(yōu)化后波紋板的壽命從原來的3個月增加到1年半，每次檢修費用約30萬元(吊裝、化學清洗及更換元件費用)，年節(jié)約檢修費用100萬元。

優(yōu)化前，GGH的凈煙氣側阻力大約為1.1 kPa，優(yōu)化后GGH凈煙氣側的阻力可以保持在400 Pa，按平均負荷率70%、運行小時數(shù)7 000 h、電價0.35元/(kW·h)計算，由此產(chǎn)生的運行費用約56.95萬元。則優(yōu)化運行后，年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為156.95萬元。

5 結論

1）吹灰蒸汽參數(shù)對吹灰效果和波紋板的損壞有直接影響，通過提升吹灰蒸汽壓力來提升沖洗效果是不可取的。通過優(yōu)化蒸汽參數(shù)，可以取得156.95萬元的年收益。

2）使用高壓水沖洗對波紋板損壞的影響遠小于吹灰蒸汽出口帶過量水滴的影響。

3）高壓蒸汽不宜直接吹灰。安全的吹灰方式為高壓蒸汽經(jīng)過減壓變?yōu)榈蛪赫羝笤俅祷摇?/p>

4）衡量高壓蒸汽能否作為波紋板吹灰汽源的標準是其壓力不小于 0.8 MPa、焓值不小于2 978.4 kJ/kg。

[1] 王源昌．脫硫系統(tǒng)GGH吹灰器高壓水噴嘴改進[J]．電力科技與環(huán)保，2011，27(5)：39-40．

[2] 王軍．燃煤電廠GGH波紋片結垢物質(zhì)清洗實驗分析[J]．山西建筑，2016，42(3)：114-115．

[3] 王肖杭．煙氣換熱器(GGH)改造及經(jīng)濟性分析[J]．安裝，2009(11)：35-36．

[4] 王偉，顧建軍．脫硫系統(tǒng)GGH換熱元件化學清洗應用[J]．浙江電力，2011，30(6)：39-41，45．

[5] 平艷斌．珠江電廠石灰石濕法煙氣脫硫系統(tǒng)GGH改造及優(yōu)化運行研究[D]．廣州：華南理工大學，2011：1-11．

[6] 吳順根．濕法脫硫GGH結垢原因分析與對策[J]．浙江電力，2010，29(5)：49-51．

[7] 李瑋，陳紅．濕法脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化與運行經(jīng)濟性問題[J]．江蘇電機工程，2010，29(2)：64-66．

[8] 歐陽榮，李珠，彭衛(wèi)華．電廠脫硫系統(tǒng)GGH結垢原因分析及解決方案[J]．廣西電力，2009，32(4)：72-75．

[9] 沈維道，蔣智敏，童鈞耕．工程熱力學[M]．北京：高等教育出版社，2000：233-245．

[10] 嚴家錄，余曉福，王永青．水和水蒸汽熱力性質(zhì)圖表[M]．北京：高等教育出版社，2003：10-17．

[11] 蔣文明，劉中良，劉曉麗，等．濕空氣超音速凝結特性[J]．化工學報，2011，62(S1)：97-102．

[12] 華楓，廖國進．噴管內(nèi)水蒸氣凝結相變的數(shù)值模擬研究[J]．熱能動力工程，2016，31(8)：18-23．

[13] 蘇民德，俞接成，衛(wèi)德強．Laval噴管內(nèi)濕蒸汽凝結流動的三維數(shù)值模擬[J]．熱能動力工程，2015，30(3)：401-406．