低低溫除塵器灰斗蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

井麗波

(上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司，上海 200090)

0 引言

隨著我國(guó)環(huán)保法規(guī)、排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，煤電節(jié)能減排升級(jí)改造計(jì)劃在全國(guó)各地開(kāi)始實(shí)施。國(guó)內(nèi)相關(guān)環(huán)保企業(yè)通過(guò)自主研發(fā)、技術(shù)引進(jìn)和成立合資公司的方式，掌握了以低低溫電除塵技術(shù)為核心的煙氣協(xié)同治理技術(shù)路線，該技術(shù)可使燃煤電廠煙氣污染物排放濃度達(dá)到或接近燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，即滿足超低排放的要求。

但是，采用低低溫除塵技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低排放效果的同時(shí)，也面臨著除塵器灰斗堵灰的問(wèn)題。由于除塵器進(jìn)口煙氣溫度降低，收集下來(lái)的灰的流動(dòng)性變差，特別是當(dāng)保溫措施不好或出現(xiàn)局部漏風(fēng)時(shí)，易產(chǎn)生灰斗堵灰的情況，灰斗下部的氣力疏灰系統(tǒng)也會(huì)存在問(wèn)題。因此，灰斗須有更大面積的加熱系統(tǒng)以保證灰的流動(dòng)性及更好地防腐。常溫電除塵灰斗加熱所需功率相對(duì)較低，一般可選擇電加熱，而低低溫電除塵器灰斗加熱所需功率較高，采用蒸汽加熱更為合適[1]。

1 灰斗蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

灰斗采用蒸汽加熱，需具有良好的保溫措施，在整個(gè)灰斗區(qū)域內(nèi)設(shè)置蒸汽盤(pán)管，外層敷設(shè)保溫材料?；叶飞涎b設(shè)測(cè)溫?zé)犭娕迹S時(shí)監(jiān)測(cè)，保證灰斗壁溫在煙氣酸露點(diǎn)10 ℃以上。蒸汽加熱盤(pán)管具有較高的導(dǎo)熱效率，滿足加熱蒸汽壓力參數(shù)，不發(fā)生蒸汽泄漏，導(dǎo)熱管不積水，保證導(dǎo)熱管能通暢疏水。

以某電廠低低溫電除塵器項(xiàng)目為例：

除塵器煙氣運(yùn)行溫度87 ℃，露點(diǎn)溫度99.8 ℃，環(huán)境最低溫度-10 ℃，其加熱負(fù)荷要求保持灰斗壁溫不低于110 ℃。蒸汽加熱管布置面積不小于灰斗高度的2/3，即單個(gè)灰斗需加熱面積約為42 m2。一臺(tái)爐配兩臺(tái)除塵器，共32個(gè)灰斗，所需加熱面積約1 344 m2。灰斗加熱蒸汽汽源參數(shù)：蒸汽壓力0.8 MPa，蒸汽溫度280 ℃。該除塵器布置如圖1所示(一臺(tái)除塵器)。

1.1 蒸汽加熱系統(tǒng)圖

在做灰斗蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要考慮蒸汽分配均勻性及檢修方便等問(wèn)題，為此做了如下設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)：

圖中每個(gè)灰斗蒸汽加熱盤(pán)管進(jìn)出口均需設(shè)置蒸汽截止閥，當(dāng)盤(pán)管出現(xiàn)泄氣、腐蝕等問(wèn)題時(shí)可及時(shí)檢修更換。每片加熱盤(pán)管需在廠內(nèi)制作并完成水壓試驗(yàn)，合格后方可供貨到現(xiàn)場(chǎng)安裝，以減少運(yùn)行故障?；叶氛羝訜嵯到y(tǒng)的蒸汽來(lái)自廠內(nèi)供汽母管，疏水管道引至廠內(nèi)疏水母管(或疏水?dāng)U容器)。每路加熱蒸汽管路設(shè)置蒸汽調(diào)節(jié)閥，以保證各分支管道蒸汽流量均勻，確保每個(gè)灰斗達(dá)到所需溫度。同時(shí)，為保證過(guò)熱蒸汽管路安全可靠，需設(shè)置高位放氣閥。為保證蒸汽加熱質(zhì)量，需設(shè)置低位放水閥。疏水管道設(shè)置截止閥、止回閥以及疏水閥等。

1.2 蒸汽耗量計(jì)算

1)根據(jù)熱量傳遞原理計(jì)算蒸汽耗氣量，加熱管放熱量Q1等于空間轉(zhuǎn)移熱量Q2與對(duì)外逃逸熱量Q3之和，單位kJ/(m2·h)。

其中：Q2=α2(θ1-θ2)=125.6×(110-87)=2 888.8 kJ/(m2·h)

θ0——蒸汽溫度,℃；

θ1——灰斗壁溫度,℃；

θ2——灰斗內(nèi)煙氣溫度,℃；

θ3——外界最低溫度,℃；

α1——加熱管傳熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃)(無(wú)縫鋼管20#鋼)；

α2——灰斗壁傳熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃)(材料碳鋼)；

α3——保溫材料傳熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃)(材料玻璃絲棉)；

λ——保溫材料熱傳導(dǎo)率,kJ/(m·h·℃)(材料玻璃絲棉)；

δ——保溫層厚度,m(灰斗保溫厚度設(shè)定0.15 m)；

其中：α1α2α3λ均為查表取值;

計(jì)算得出：

Q1= 2 888.8+148.37=3 037.17 kJ/(m2·h)

2)每m2壁板加熱所需蒸汽量:

查表得：

I＂——過(guò)熱蒸汽焓值,kJ/kg(蒸汽壓力0.8 MPa、蒸汽溫度280 ℃時(shí)，取3 013.26)；

I＇——飽和水焓值,kJ/kg(蒸汽壓力0.8 MPa、蒸汽溫度280 ℃時(shí)，取721.2)；

單個(gè)灰斗需加熱面積約42 m2，所需熱量1.33×42=55.86 kg/h。

一臺(tái)爐32個(gè)灰斗所需熱量55.86×32=1 787.52 kg/h。

3)所需蒸汽量總量取值：

1 787.52×1.1=1 966.27≈2 000 kg/h

通常情況下，電廠提供的蒸汽熱源參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行中參數(shù)存在差異，故在計(jì)算耗氣量時(shí)耗汽裕量的選取視情況而定。

1.3 蒸汽管路計(jì)算

1.3.1 盤(pán)管尺寸

1)灰斗每m2加熱管當(dāng)量傳熱面積：

假定選用無(wú)縫鋼管型號(hào)32X3，計(jì)算得:

2)灰斗每m2內(nèi)加熱管總表面積:

0.364m2(>0.213m2)

其中,d為加熱管兩層間距,mm.

經(jīng)計(jì)算，選用無(wú)縫鋼管32X3作為盤(pán)管材質(zhì)可滿足熱量傳遞要求。

1.3.2 盤(pán)管強(qiáng)度

上兩式中:δ——管道計(jì)算壁厚，mm；

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D0——管道外徑，mm；

Di——管道內(nèi)徑，mm；

[σ]t——管道在設(shè)計(jì)溫度t下的許用應(yīng)力，MPa；

查表得：350 ℃時(shí)，[σ]t=92 MPa;

Y——系數(shù);

對(duì)于≤482 ℃的鋼管，Y=0.4;510 ℃,Y=0.5;

φ——焊接接頭系數(shù)，無(wú)縫鋼管取1.00;

計(jì)算蒸汽盤(pán)管32X3強(qiáng)度是否滿足要求，只需將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式即可算出[2]。

結(jié)果顯示可以采用上述公式計(jì)算管道強(qiáng)度。

得出結(jié)論：選用蒸汽盤(pán)管32X3強(qiáng)度滿足要求。

不僅蒸汽盤(pán)管可用上述公式計(jì)算，系統(tǒng)中其他管路強(qiáng)度也可采用此方法計(jì)算校核。在此僅以盤(pán)管計(jì)算舉例，其他管路不再贅述。

1.3.3 管道蒸汽流速選取

蒸汽流速的大小直接影響蒸汽壓力降和管徑，因此選擇時(shí)應(yīng)慎重考慮，其選擇原則如下：管徑小，流速宜偏低；管徑大，流速宜偏高。做供熱用的蒸汽管道，由于對(duì)壓力要求不嚴(yán)，流速可高一些。一般情況下，支管過(guò)熱蒸汽管路流速推薦30～40 m/s，支管飽和蒸汽管路流速推薦15～30 m/s。

1.3.4 導(dǎo)熱材料的選用原則

同樣的材料，導(dǎo)熱率是一個(gè)不變的數(shù)值，熱阻值是隨厚度發(fā)生變化的。厚度越大，可簡(jiǎn)單理解為熱量通過(guò)材料傳遞出去要走的路程越多，所耗的時(shí)間越多，效能也越差。對(duì)于熱導(dǎo)材料，選用合適的導(dǎo)熱率、厚度，對(duì)性能有很大的關(guān)系。選用熱導(dǎo)率很高的材料，但是如厚度很大，性能也是不夠好的。最理想的選擇是：導(dǎo)熱率高，厚度薄，完美的接觸壓力，保證最好的界面接觸。這里不僅對(duì)導(dǎo)熱材料有一定的選擇要求，同時(shí)對(duì)保溫材料、保溫厚度以及盤(pán)管及保溫的安裝均有嚴(yán)格的要求，只有選材到位、安裝到位，蒸汽加熱效果才能得以保證。

1.3.5 盤(pán)管的安裝固定

在新建項(xiàng)目中，在制作時(shí)灰斗盤(pán)管可直接附在灰斗壁板上，隨灰斗壁板一起發(fā)貨至現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝。在改造項(xiàng)目中，為保證熱交換效果，蒸汽盤(pán)管的安裝需貼近灰斗壁板表面，需割除原灰斗壁板表面加強(qiáng)筋干涉部分，待盤(pán)管安裝完后再補(bǔ)強(qiáng)加強(qiáng)筋。盤(pán)管與灰斗壁板的固定如圖3。

1.4 閥門(mén)的選用與安裝

閥門(mén)是控制介質(zhì)流動(dòng)的一種管路附件，是管道中不可缺少的配件之一。閥門(mén)種類(lèi)很多，本系統(tǒng)中用到的閥門(mén)有：閘閥、截止閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥、減壓閥、疏水閥、止回閥等。其中疏水閥的選用在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中尤為重要，它關(guān)系到冷卻水能否順利排出，從而直接影響到蒸汽加熱系統(tǒng)的性能。

1.4.1 疏水閥的選用

1.4.1.1 疏水閥的類(lèi)型

灰斗蒸汽加熱系統(tǒng)中，通常選用機(jī)械型疏水閥。機(jī)械型疏水閥有自由浮球式、自由半浮球式、杠桿浮球式、倒吊桶式等。它是利用凝結(jié)水與蒸汽的密度差，通過(guò)凝結(jié)水液位變化，使浮子升降帶動(dòng)閥瓣開(kāi)啟和關(guān)閉，達(dá)到阻氣排水的目的。在該系統(tǒng)中，我們一般選用自由浮球式疏水閥，見(jiàn)圖4。這種閥的優(yōu)點(diǎn)是排量大，排空氣性能好，能連續(xù)排除凝結(jié)水，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，浮球和閥座易互換；缺點(diǎn)是抗水擊能力差，疏水閥內(nèi)蒸汽有熱損失，排除凝結(jié)水時(shí)有蒸汽卷入。所以現(xiàn)場(chǎng)看到的直接排放到排水溝的水帶有大量蒸汽。

1.4.1.2 疏水閥的疏水量

合理計(jì)算蒸汽管道疏水量，選擇性能合適、容量匹配的蒸汽疏水閥是低低溫除塵器及輸灰系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證，更是節(jié)約生產(chǎn)成本和能源的保障。

選用疏水閥時(shí)，疏水閥排放能量不夠，會(huì)造成凝結(jié)水不能及時(shí)排出，降低加熱設(shè)備的熱效率。當(dāng)蒸汽加熱設(shè)備剛開(kāi)始送汽時(shí)，設(shè)備是冷的，內(nèi)部充滿空氣，需要疏水閥把空氣迅速排出，再排大量低溫凝結(jié)水，使設(shè)備逐漸熱起來(lái)，然后設(shè)備進(jìn)入正常工作狀態(tài)。由于開(kāi)車(chē)時(shí)，含大量空氣和低溫凝結(jié)水，以及較低的入口壓力，使疏水閥超負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)疏水閥要求比正常工作時(shí)的排水量大，所以按倍率2～3倍來(lái)選擇疏水閥。

1.4.1.3 疏水閥的工作壓差

選用疏水閥時(shí)，不能以公稱壓力選疏水閥，因?yàn)楣Q壓力只能表示疏水閥體殼承受壓力等級(jí)，疏水閥公稱壓力與工作壓力的差別很大。所以要根據(jù)工作壓差來(lái)選擇疏水閥的排水量。工作壓差是指疏水閥前的工作壓力減去疏水閥出口背壓的差值。

1.4.1.4 疏水閥的工作溫度

選用疏水閥時(shí)，要根據(jù)管道蒸汽最高溫度來(lái)選擇能滿足工藝條件要求的疏水閥。管道蒸汽最高溫度超過(guò)公稱壓力相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度稱為過(guò)熱蒸汽，在過(guò)熱蒸汽管道選擇疏水閥時(shí)，應(yīng)選用高溫高壓過(guò)熱蒸汽專用疏水閥[3]。

1.4.2 疏水閥的安裝

在蒸汽管道的末端，最低點(diǎn)蒸汽系統(tǒng)減壓閥、調(diào)節(jié)閥前，蒸汽加熱設(shè)備的低處，擴(kuò)容器，水平安裝的波紋補(bǔ)償器波峰的下部，不可避免的袋形的底部及可能積液的地方，都應(yīng)安裝疏水閥。當(dāng)蒸汽管道較長(zhǎng)時(shí)，每隔一段距離應(yīng)適當(dāng)增加輸水接點(diǎn)。

一般情況下，疏水閥入口管都是安裝在低于冷凝水排出設(shè)備的位置。必要時(shí)在采取防止積水和防止汽鎖措施后，才能將疏水閥安裝在比凝結(jié)水出口高的位置上。疏水閥出口管應(yīng)減少?gòu)澢軓奖冗x定疏水閥公稱直徑大1～2級(jí)。當(dāng)出口管有向上的立管時(shí)，在疏水閥后應(yīng)安裝止回閥。

對(duì)于凝結(jié)水回收系統(tǒng)，疏水閥后要設(shè)置切斷閥和排污閥。將冷凝水排至排水溝的場(chǎng)合下，若將排水管直接伸入水中易引發(fā)冷凝水飛濺的危險(xiǎn)。如果必須要被水淹沒(méi)的場(chǎng)合下，為防止蒸汽停止時(shí)排水溝的水逆流至疏水閥而出現(xiàn)故障，應(yīng)在排水管中進(jìn)行開(kāi)口或設(shè)置真空調(diào)節(jié)閥。在冷凝水回收系統(tǒng)中，疏水閥前后都要設(shè)置關(guān)斷閥，閥前還要設(shè)置排污閥，閥后設(shè)檢查閥、窺視鏡[4]。

2 值得關(guān)注的問(wèn)題

目前，灰斗蒸汽加熱系統(tǒng)在低低溫除塵器項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)實(shí)際應(yīng)用氣源參數(shù)與設(shè)計(jì)時(shí)提供參數(shù)不符，蒸汽溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，造成灰斗加熱后溫度在80 ℃左右，還有個(gè)別溫度在70 ℃左右；

2)前電場(chǎng)灰斗溫度高于末電場(chǎng)灰斗溫度，且前電場(chǎng)灰斗溫度隨卸灰呈周期性波動(dòng)；

3)灰斗加熱溫度雖未達(dá)到設(shè)計(jì)值，但灰斗并未因此出現(xiàn)堵灰現(xiàn)象；

4)灰斗溫度顯示低，初步判斷可能與溫度計(jì)的安裝方式及深度有關(guān)；

5)灰斗加熱盤(pán)管的安裝與灰斗壁板不貼合，傳熱效果差；

6)灰斗保溫安裝不符合要求，保溫材料與壁板貼合度差，導(dǎo)致灰斗加熱盤(pán)管散失熱量多，熱源損耗大。

3 結(jié)語(yǔ)

灰斗蒸汽加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只有充分考慮了設(shè)備應(yīng)用環(huán)境與需求，從系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)、耗氣量計(jì)算、盤(pán)管選用、閥門(mén)選用、系統(tǒng)安裝等方面著手，布置合理的蒸汽加熱系統(tǒng)，才能保證除塵器及輸灰系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。本文對(duì)灰斗蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述， 旨在后續(xù)項(xiàng)目中給予更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)安裝指導(dǎo)。