重力熱管低溫省煤器選型、應(yīng)用要點(diǎn)探討

摘 要：重力熱管低溫省煤器結(jié)構(gòu)緊湊，布置方便，換熱效果好，具有零泄漏屬性，但在運(yùn)行一定時(shí)間后會出現(xiàn)熱管失效、低溫腐蝕、積灰等問題。鑒于此，結(jié)合實(shí)際，歸納熱管低溫省煤器在選型和應(yīng)用階段的要點(diǎn)內(nèi)容，保證重力熱管低溫省煤器長壽命、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：重力熱管；低溫省煤器；選型設(shè)計(jì)；熱管失效

中圖分類號：TK172.4" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0074-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.019

0" " 引言

我國以煤為主的能源資源稟賦，決定了煤電在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍將發(fā)揮電力安全保障的“壓艙石”作用。煤電碳排放約占全國碳排放總量的40%[1]，故煤電的減污降碳是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的“主要抓手”。

當(dāng)前，我國燃煤電廠實(shí)施煙氣超低排放的主流工藝為低低溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)，其核心低低溫電除塵系統(tǒng)剛投運(yùn)時(shí)運(yùn)行效果較好，運(yùn)行一段時(shí)間后普遍存在冷卻水泄漏、積灰堵塞、排放超標(biāo)等頑疾[2]，這些問題將直接導(dǎo)致設(shè)備可靠性不足、節(jié)煤效果差、運(yùn)行能耗高，且在極端情況下可能造成設(shè)備癱瘓乃至停機(jī)，構(gòu)成重大安全隱患。近兩年，市場上出現(xiàn)了一種高可靠低低溫電除塵系統(tǒng)及裝備——真空熱管耦合低低溫電除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效除塵、運(yùn)維智能、冷卻水“零泄漏”、余熱回收、協(xié)同脫除SO3、脫汞等多重功效為特色[3-4]，在國內(nèi)燃煤電廠迅速鋪開市場，對于促進(jìn)電力及非電行業(yè)煙氣治理清潔低碳轉(zhuǎn)型具有顯著的行業(yè)引領(lǐng)作用。

隨著真空熱管低省的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，也暴露了不少問題，如熱管失效、低溫腐蝕、積灰等，影響了熱管低溫省煤器的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[5]。因此，急需對其選型、應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行探討總結(jié)，從而優(yōu)化熱管空氣預(yù)熱器的使用效果，延長其使用壽命。

1" " 熱管低溫省煤器技術(shù)組合選型要點(diǎn)

1.1" " 工質(zhì)選擇

熱管工質(zhì)的選擇主要考慮熱管的工作溫度、與管材的相容性、熱物性及安全經(jīng)濟(jì)性。

溫度因素是首先要滿足的一個(gè)重要因素。從原則上講，任何一種工質(zhì)都有它自己可以工作的溫度范圍，其下限是工質(zhì)的凝固點(diǎn)，上限是熱力學(xué)臨界點(diǎn)。主要常溫?zé)峁芙橘|(zhì)及其相容殼體如表1所示。

汽化潛熱：汽化潛熱大，意味著在傳遞相同熱量的情況下，液體的蒸發(fā)量少，使管內(nèi)蒸汽的流量減少，流動(dòng)阻力降低，凝結(jié)液膜變薄，有利于管內(nèi)傳熱。

從溫度的角度來選擇，合適的熱管工質(zhì)有乙烷、丙酮、乙醇、甲醇、甲苯和水；由于低溫省煤器常用材質(zhì)為碳鋼，從工質(zhì)與殼體相容性來選擇，合適的工質(zhì)有甲醇和水；甲醇熱物性次于水，但在同樣的真空度下，甲醇蒸發(fā)溫度低于水，蒸發(fā)過快；鋼水熱管需要進(jìn)行內(nèi)壁處理。從安全性的角度來講，合適的工質(zhì)只有水。綜上分析，熱管低省選取水為工作介質(zhì)是最佳的。

1.2" " 真空度選擇

對于熱管，真空度太低，無法排盡不凝性氣體，不凝性氣體在熱管工作時(shí)聚集在冷凝段，會增加熱阻；真空度太高，工質(zhì)沸點(diǎn)過低，工作工質(zhì)蒸發(fā)快，會造成蒸發(fā)段干涸。常用真空度一般為1.3×10-4～1.3×10-1 Pa，要達(dá)到該真空度，對熱管制造工藝要求較高，一般采用專門精密儀器進(jìn)行抽真空灌注或灌注抽真空，生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本無法滿足大部分改造項(xiàng)目的要求。

熱管真空度的選擇主要考慮能否滿足熱管換熱器在最低運(yùn)行溫度下的啟動(dòng)時(shí)間。熱管低省運(yùn)行環(huán)境為100～250 ℃，即使是燃煤機(jī)組剛啟動(dòng)或者低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其環(huán)境溫度也在100 ℃左右，另外考慮一定的啟動(dòng)裕量，按滿足30 ℃的啟動(dòng)溫度考慮。以上熱管啟動(dòng)溫度對真空度的要求不是很嚴(yán)格，采用熱管現(xiàn)場熱排法制作真空工藝即可滿足熱管換熱器的啟動(dòng)時(shí)間及換熱性能要求，熱排法工藝真空度約為4 kPa。

1.3" " 充液量選擇

影響充液量的因素很多，如工作介質(zhì)特性、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作狀況等。充液量是管內(nèi)流動(dòng)傳熱的參變量，同時(shí)又反過來影響管內(nèi)兩相流的流動(dòng)傳熱性質(zhì)，國外學(xué)者研究部分結(jié)論如表2所示。

熱管適宜的充液量根據(jù)不同工質(zhì)而異，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及國內(nèi)外研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對于鋼水熱管充液量，建議取值為熱管總?cè)莘e的30%左右。

1.4" " 傳熱極限

當(dāng)熱管的充液量很少或蒸發(fā)段的熱流密度增大時(shí)，熱管的底部容易出現(xiàn)干涸，干涸的區(qū)域隨著熱流密度的增大而擴(kuò)展，壁面溫度持續(xù)上升，這種現(xiàn)象就是干涸極限。干涸極限的影響因素包括充液量、工質(zhì)物性、熱管的幾何尺寸及其工作溫度。目前對干涸極限的研究比較少，未形成可靠的經(jīng)驗(yàn)公式或計(jì)算模型，故暫時(shí)無法計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)合理選取充液量，可有效避免出現(xiàn)干涸極限；在充液量較大且蒸發(fā)段徑向熱流密度較大而軸向熱流密度較小的情況下，將首先發(fā)生沸騰極限，而當(dāng)充液量較大且徑向熱流密度小而軸向熱流密度較大時(shí)，則先發(fā)生攜帶極限。目前熱管低溫省煤器采用的熱管均有較大充液量，且熱管為細(xì)長管，即在熱管蒸發(fā)段的長徑比很大時(shí)，首先考慮攜帶極限。

攜帶傳熱極限，即當(dāng)熱管內(nèi)部工質(zhì)不再沿絕熱段壁面向下流，而是沿壁面向上流動(dòng)，由于蒸發(fā)段內(nèi)的工作液體得不到及時(shí)供給，從而使得蒸發(fā)段沒有足夠的液體用來蒸發(fā)，蒸發(fā)段管壁開始干燒，進(jìn)而熱管無法正常工作。因此，可以通過絕熱段內(nèi)汽液兩相流的流動(dòng)情況來判斷熱管是否達(dá)到極限傳熱狀態(tài)，并定義此時(shí)所對應(yīng)的蒸汽速度為蒸汽臨界速度。極限傳熱量Qmax計(jì)算公式如下：

Qmax=ρl μmaxAγ

式中：ρl為蒸汽密度（kg/m3）；μmax為蒸汽臨界速度（m/s）；A為橫截面積（m2）；γ為汽化潛熱（kJ/kg）。

1.5" " 翅片形式

根據(jù)熱管低溫省煤器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及對相關(guān)翅片生產(chǎn)商的實(shí)地考察調(diào)研，最終確定采用具有微擾流設(shè)計(jì)、增強(qiáng)換熱、減少積灰、減輕磨損等應(yīng)用效果的U型開齒螺旋翅片。開齒螺旋翅片管（圖1）是由螺旋翅片管改進(jìn)而成，在螺旋翅片上均勻地開許多小口，由于開齒結(jié)構(gòu)的存在，流動(dòng)死區(qū)大大減小，煙氣擾流作用增加，阻力減小，流場改善，不容易在翅片間形成積灰和結(jié)垢。

2" " 熱管低溫省煤器應(yīng)用要點(diǎn)

2.1" " 熱管換熱器在線檢修維護(hù)

真空熱管低溫省煤器采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)煙道的換熱模塊鉛垂安裝布置，模塊整體采用自支撐結(jié)構(gòu)，解決換熱器運(yùn)行中熱膨脹問題，防止熱膨脹及振動(dòng)對換熱器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性造成不利影響。

2.1.1" " 真空熱管低溫省煤器模塊整體結(jié)構(gòu)

每個(gè)真空熱管低溫省煤器采用模塊分組設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)置隔離閥門，配置放水閥、排氣閥，可以單獨(dú)進(jìn)行投運(yùn)和隔離控制，每個(gè)模塊可以單獨(dú)安裝和抽出檢修，維護(hù)方便。

新型真空熱管低溫省煤器模塊主要由熱管組件、框架、絕熱段隔板、冷凝段殼體等主要結(jié)構(gòu)件組成。每根熱管都是獨(dú)立的換熱元件，不像通常的省煤器那樣各換熱管之間連通在一起。即使熱管在煙氣側(cè)發(fā)生磨損或腐蝕情況，只會有極少的熱管內(nèi)工作介質(zhì)泄漏進(jìn)入煙道，水側(cè)的冷卻水無法進(jìn)入煙道，因此可以對單獨(dú)的換熱管進(jìn)行維護(hù)，安全性、方便性和可操作性大大提高。

2.1.2" " 冷凝段殼體

冷凝段殼體由側(cè)部封板、頂部封蓋組成，起到隔絕冷凝段和外界環(huán)境的作用。為了便于熱管現(xiàn)場抽真空及檢修維護(hù)，封蓋設(shè)計(jì)成可拆卸的結(jié)構(gòu)。

2.1.3" " 熱管封頭

熱管頂端儲氣區(qū)特別設(shè)計(jì)了可開閉調(diào)節(jié)的排氣封頭，如圖2所示，創(chuàng)新應(yīng)用彈簧+雙鋼珠的雙重密封式熱管封頭，方便熱排法制作真空。該熱管在結(jié)構(gòu)完好的情況下，可重復(fù)實(shí)施灌注抽真空和加熱排氣工藝，提高熱管的循環(huán)利用性能。

2.2" " 熱管不凝結(jié)氣體防治

真空熱管換熱器的換熱管內(nèi)壁經(jīng)過鈍化處理，工質(zhì)采用純凈水并添加緩蝕劑和除氫劑，與鋼材相容性好，在熱管制造過程中嚴(yán)格控制質(zhì)量，排盡不凝性氣體，同時(shí)熱管封頭采用特有專利技術(shù)，保證熱管真空度。長期運(yùn)行中，若由于鋼-水電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不凝性氣體導(dǎo)致熱管真空度下降而發(fā)生短期失效，可以通過紅外監(jiān)測設(shè)備對熱管冷凝段頂部封頭進(jìn)行檢測，檢測出失效熱管可對其進(jìn)行排氣恢復(fù)真空，重新投入使用。

2.3" " 低溫腐蝕失效預(yù)防

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，考慮到鍋爐啟停、低負(fù)荷、吹灰及燃燒煤質(zhì)成分變化等因素下的低溫?zé)煔猓瑩Q熱管采用ND鋼，換熱管的腐蝕速率按＜0.1 mm/a考慮，換熱管管壁厚度為5 mm，換熱管腐蝕量按4 mm考慮，則換熱元件的理論壽命將超過30年。

其余關(guān)于真空熱管換熱器防低溫腐蝕問題，考慮如下：

1）通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分利用熱管壁溫可調(diào)的特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱管冷凝段與蒸發(fā)段的面積比，確保換熱管壁溫高于70 ℃，保證換熱管管壁溫度在最低腐蝕溫度點(diǎn)以上，減緩降溫段低溫腐蝕。

2）真空熱管制造過程嚴(yán)格保證質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)更好的耐腐蝕性能。

3）熱管低溫省煤器設(shè)置聲波吹灰系統(tǒng)，最大限度降低換熱管表面積灰，減少硫酸氫銨粘附，從而減緩換熱管腐蝕、堵塞問題。

3" " 結(jié)束語

近年來，熱管低溫省煤器作為新型高可靠的換熱裝備替代了傳統(tǒng)低溫省煤器，然而其在應(yīng)用過程中同樣存在一些問題，如換熱性能的選型計(jì)算偏差，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，以及檢修、維護(hù)和預(yù)防失效方面的不足。本文對熱管低溫省煤器的選型和應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)探討，有利于該技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

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收稿日期：2024-11-18

作者簡介：陳小華（1970—），男，江西南昌人，高級工程師，高級技師，從事電廠生產(chǎn)運(yùn)營、安全管理工作。