螺旋鳍片管省煤器在130t/h锅炉上的应用

陈永红，赵晓强，徐强

（中石油克拉玛依石化有限责任公司热电厂，新疆 克拉玛依 834003）

某石化公司热电厂3#锅炉于2003年投产，锅炉是130t/h，450℃、3.8MPa中压蒸汽；给水温度104℃；四角切圆燃烧、煤粉锅炉；锅炉省煤器与空预器各两级呈上下交替布置。随着使用年限的增长逐渐出现烟温后移、排烟温度高、热风温度偏高、鳍片式省煤器搭桥积灰、热效率下降等问题。其排烟温度由设计的160℃上升到180℃，热风温度高达420℃，按照中压锅炉排烟温度每升高15℃，热效率降低1个百分点估算锅炉热效率下降约1个百分点。3#炉鳍片式省煤器受制于结构影响使得管束之间非常容易搭桥积灰，进而影响其吸热能力；此外，鳍片式省煤器在积灰后容易造成管束与鳍片之间由于受热不均而出现脱焊造成省煤器管束泄漏问题。因此，3#炉上级省煤器问题已经是确保该锅炉安全、高效运行的关键问题之一。

1 螺旋鳍片式省煤器

为有效解决锅炉原省煤器运行中存在的问题，通过比较不同燃煤电厂锅炉使用的光管省煤器、鳍片省煤器、螺旋鳍片式省煤器的使用情况得出螺旋鳍片管式省煤器能增强烟气扰动、减少积灰、大幅扩展换热面积，进而增加省煤器的传热面积、增强传热效果、提高热效率，有效增强管束与鳍片之间的传热均匀性，降低管束与鳍片之间热应力不均造成的管束脱焊风险。

1.1 螺旋鳍片式省煤器简述

由传热学基理可知：在以低密度流体(如空气、烟气、蒸汽等)作为工质的热交换器中，低密度工质侧传热热阻较大，因此，要想达到理想的换热效果必须减小热阻。然而对于锅炉受热面而言，其低密度流体均为烟气，根据传热理论在增加烟气流速的情况下不仅增大了换热器（省煤器、过热器等）受热面阻力、提高动力源（风机）的能耗，而且会对受热面（锅炉汽水系统管束表面）有严重的磨损。因此，对于锅炉受热面就需要增加换热器的传热面积来实现最大限度的换热能力。螺旋鳍片管省煤器作为高传热面积的锅炉受热面得以不断应用锅炉运行实践。

1.2 螺旋鳍片式省煤器结构

螺旋鳍片式省煤器结构是在光管省煤器上缠扰上螺旋片材料，即由基管和螺旋鳍片组成（图1）。其制造工艺主要有：（1）将加工好的鳍片通过挤压的方式套装在基管上,这种方法通常易使鳍片和基管间存在较大的接触热阻。（2）把鳍片材料绕在基管上,并将鳍片和基管焊接为一体，使其接触热阻相对较小。

图1 螺旋鳍片式省煤器结构示意图

1.3 螺旋鳍片式省煤器特点

根据螺旋鳍片式省煤器的应用实践得出其特点：（1）换热面积增加。根据图1可知，螺旋鳍片管省煤器的对流传热面由螺旋状的扩展表面和光管束表面构成，相同的外形尺寸下,螺旋鳍片省煤器比光管省煤器的换热面积增加几倍甚至几十倍，烟气侧省煤器表面的换热能力得到大幅度提高。（2）抗磨损能力提高。对于相同吸热能力下，螺旋鳍片管省煤器管束的管排减少、管束间距大幅提高、烟气流通截面增加、烟气阻力和烟气流速，同时螺旋鳍片使烟气流经受热面时流场和流速发生变化，管束表面产生大量涡流扰动降低灰分与管束的接触，进而减少灰尘对管排的磨损，延长了管排的使用寿命。（3）结构紧凑。螺旋鳍片管束增加了单位体积内换热面积，在换热量相同的情况下，可减小换热器的体积。（4）强化传热。螺旋鳍片管通过其外部曲线结构能增强鳍片间气流扰动，造成流动边界层分离并周期发展，减薄鳍片上的流动边界层和热边界层，并缩短层流边界层长度，有助于破坏边界层的层流底层，从而起到强化传热的作用。（5）抗堵灰能力强。由于烟气流过鳍片管时形成附面层产生漩涡，增加烟气与省煤器表面之间的扰动，飞灰颗粒撞击到管壁的机会很少，因此降低了烟气流速，减轻了磨损，不易积灰堵灰，最大限度的提高在用锅炉省煤器受热面工作稳定性。设计时必须充分考虑飞灰的特性，选择适当的气流速度、鳍片管结构(基管外径d、鳍片高度h、鳍片螺距s及鳍片厚度δ)、管束布置型式(错列或顺列)以及管间节距（横向节距s1和纵向节距s2)，方可达到最佳效果。（6）管外流体流动阻力减小。在鳍片方向与冲刷鳍片的气流方向相平行的情况下，虽然错列鳍片管束每排的通风阻力约为光管的1.2倍，但在外形尺寸相同的情况下，鳍片管束较光管管束每排的换热面积的增加则远远大于1.2倍，因此，管束排数减少，使得换热器总阻力下降；此外，换热能力不受影响的情况下，由于传热能力的大幅度提高可适当降低管外流体速度，换热器阻力减小,动力源能耗降低。（7）减少脱焊。由于螺旋鳍片与管束呈环状缠扰焊接，使得管束与鳍片建的焊接应力以及运行期间的热应力最大限度的相互抵消，很好的避免鳍片与管束间的脱焊、泄漏问题。

2 螺旋鳍片式省煤器在锅炉上级省煤器上的应用

为有效配合脱硝SCR反应区温度达标，降低锅炉热风温度，提高锅炉主汽温度，降低锅炉排烟温度，解决上级省煤器搭桥积灰、吸热不足等一些列问题，该热电厂将3#炉上级省煤器前两排更换成螺旋鳍片式省煤器并与后两排原鳍片式连接起来组成混合式省煤器，其改造示意图和实物图如图2及图3所示。

图2 省煤器改造示意图（侧面）

图3 省煤器改造实物图（端面）

该炉上级省煤器改造后效解决了鳍片与管束间产生脱焊问题。省煤器安装后提高主汽温度，保障SCR催化剂不超温烧结失活，降低锅炉排烟温度；避免鳍片与管束出现焊口脱焊问题；保障锅炉能够高效、安全、平稳运行。图4及图5是螺旋鳍片省煤器运行一个周期及原鳍片省煤器运行一个周期后管束表面的积灰情况实物图片。

图4 3#炉上级省煤器运行一周期后图片

图5 3#炉上级省煤器改造前的积灰、搭桥图片

通过图4及图5比较发现：螺旋鳍片式省煤器运行一周期后（连续运行1年）检查发现：原鳍片省煤器管排之间几乎全部搭桥积灰，管束已经彻底被煤灰包裹；而采用螺旋鳍片式省煤器后管束表面轮廓清晰、省煤器无搭桥、严重积灰等问题，鳍片及管束之间仅有浮灰存在，只需压缩空气吹扫即可清除，彻底消除了省煤器搭桥积灰问题；此外，省煤器运行一个周期后未出现原鳍片省煤器出现的投运即脱焊泄漏问题。

另外，根据传热理论“对于同一受热物体，外表温度越高其外表换热能力越强，物体的吸热量越大”的描述，对于省煤器可以解释为“在经过省煤器入口的温度越高，其省煤器的吸热能力越强，对应的省煤器入口与出口的烟气温差越大，反之吸热能力减弱，烟气温差变小”。而通过日常运行报表截图中图6及图7对比发现：3#炉炉膛出口烟温较改造前低约100℃，按照传热理论：如果省煤器不改造，在省煤器口烟气温度降低的情况下省煤器进出口烟温差较改造前应偏小，但实际通过报表比较发现改造后的省煤器进出口烟温差较改造前还要高10℃左右，这充分说明省煤器改造后的吸热能力得到了大幅提升，再次证明螺旋鳍片式省煤器的吸热效果显著（图6及图7中锅炉负荷均在100±4t/h）。

此外，从图6及图7可知锅炉排烟温度明显下降，锅炉热效率得到一定提升，当然排烟温度降低与空预器更换以及炉膛温度降低都有一定关系，不能全部归功于省煤器改造，故不多述。

图6 改造前3#炉烟温参数报表截图

图7 改造后3#炉烟温参数报表截图

3 结语

锅炉上级省煤器前两排改造成螺旋鳍片式后省煤器整体呈现螺旋鳍片和垂直鳍片混合式省煤器。该省煤器自2014年8月投运至今，省煤器及锅炉各运行参数均达到预期，各项指标满足要求。原省煤器搭桥积灰、鳍片与管束脱焊、吸热不足等问题均得到解决。实践应用说明螺旋鳍片管束以其结构、传热与流动的优越性能，其在锅炉对流受热面中将得到更为广泛的应用。

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