探究复合相变换热器在电厂节能改造中的运用

郭振祥

（陕西煤业化工集团有限责任公司，陕西 西安 710077）

1 复合相变换热器技术原理

复合相变换热技术与热管换热等节能技术，在本质上存在差异性，该技术把换热器最低金属壁面温度设为“第一设计要素”，而把对诱发烟气低温结露以及腐蚀的重要影响的壁面温度最低值设为“可控可调状态”。复合相变换热器技术在应用过程中，重点在“相变”方面有所体现，应用安设“相变换热器”的形式，同时采用对多种“强化传热技术”和“控制技术”科学布设的方式，运用调整与完善设计方案的办法，实现整改换热器壁面温度排布的“函数”特征，在确保金属壁面温度处于酸露点以上区间的同时，为大规模回收烟气低温余热目标的实现创造诸多优势条件。

复合相变换热器利用原热管换热器内处于互相独立运行状态的构件，采用优化设计的方式，规划出不同构件间存在密切关联性的整体。“相变换热”与“烟气横掠管束”相比较，其置换锅炉余热的能力显著提升，多数会＞102，进而确保“相变换热器”金属壁面温度部署的匀称性，同时和烟气温度梯度差不会很大（在10～20℃区间内取值）。从原则上分析，其与被加热工件质温度之间存在互为独立的关系。

另外，采用复合相变换热器技术“相变换热器”的这一基本属性，预热进入初期末级空预器这类一级换热器工质，入口温度会相应增加，进而有效规避了低温环境对设备外部结构完整性造成的侵扰，降低低温腐蚀现象的发生率。与此同时，也可采用“相变换热器”或增设他类构件的形式，实现对设备热量的有效调整与转换，但是关于整个设备在运行过程中，可能产生的不同程度壁面温度闭环控制的现象，复合相变换热器确保了壁面温度值的安稳性以及可调控性，进而满足各种燃料燃烧以及运行模式等主观需求。由此可见，复合相变换热器技术的应用，一方面确保锅炉设备运行的安稳性，另一方面也最大限度的回收烟气余热，实现节能减排的目标。

2 复合相变换热器技术的主要特征

（1）在锅炉设计与改造的过程中，明显降低排烟温度。在上述过程中低温热能回收效率大幅度提升，能够为企业各项业务的运营创造更大的经济效益与生态效益。

（2）在降低排烟温度基础上，拉长金属受热面壁面温度与酸露点间的距离，从很大意义上来讲有效规避了结露腐蚀和堵灰问题，此时设备在运行期间维修与养护费用均有不同程度降低。

（3）相变换热器具备一定调节能力，其作用在于促使换热器金属受热面最低壁面温度数值长期处于可调控范畴中，同时确保了排烟温度与壁面温度变化的安稳性，满足锅炉设备中不同类型燃料的燃烧需求，同时有能力承担设备运行期间多变的负荷量。

（4）在不影响热管换热器传导热量属性的基础上，采用有规律排放不凝气体的方式，有效弥补了相变换热器运行期间可能出现结构老化的问题，进而延长了设备的使用年限。

3 调水系统的应用

通过对长期工作经验的总结，笔者发现电厂锅炉设备若采用提升热风温度的方式去吸收排放的烟气，温度下降过程中所释放出的热量值是极为有限的，且其间会消耗大量的资金。而将上述过程中产生的热量输送至除氧器的补给水中，会有效降低排烟温度的输出热量，继而实现在热力循环内部有效吸收热量的目标。在小型热电联产设备内，氧器出口水温的预设值是104℃，多采用蒸汽设备加热。以400t/h锅炉为实例进行分析，若将可调节冷却水流导入至复合相变换热器中，设p：复合相变换热器中空气吸收热量的份额，那么在p=0时，就代表所有热量均被调节水带走；若P=0.2就代表有1/5的热量被用于加热空间。①若将排烟温度初始值从165℃降至155℃，在P=0时，调水系统的调节水流量为40.9t/h；在P=0.2时，复合相变换热器出口空间温度为33.5℃，热风温度为290℃，调节水流量为32.7t/h，节能收益（万元/年）为75万元；②若排烟温度降低至145℃，在P=0时，调水系统的调节水流量为75.2t/h；在P=0.2时，复合相变换热器出口空间温度为36.7℃，热风温度为291℃，调节水流量为60.1t/h，节能收益为152.1万元；③若排烟温度降低至125℃，在P=0时，调水系统的调节水流量为144.0t/h；在P=0.2时，复合相变换热器出口空间温度为43.4℃，热风温度为293℃，调节水流量为115.2t/h，节能收益为305.1万元。

①上述代表的是复合相变换热器壁温最低值T1=110℃时的性能指标。在T1=100℃，P=0时，锅炉设备运行成本将降低15～20%，P=0.2时设备成本下降为9～12%。由此可见，在排放烟气酸露点相对较低的情景下，大幅度提升T1，会导致设备在运行期间徒增成本，可行性相对较低。②在调节水的作用下，排烟温度降低至125℃的目标是可以实现的。③尽管伴随着排烟温度的降低，设备运行成本会相应增加，但通过节能获得的收益是不容小嘘的，在P=0时大约经历4个月就可回收成本；P=0.2时半年以后就可回收成本。④复合相变换热器出口空间温度显著上升，该参数可以结合电厂锅炉生产作业时的实际需求进行调整与设计。⑤热风温度的上升空间受到一定限制，其取决于系统被优化的程度。

4 探讨凝汽式汽轮机装置循环热效率

采用125MW凝汽式汽轮机装置的热力循环为实例进行分析，在分析过程中用到的参数主要有：①JD4（第4级低压给水加热器）前的温度32.4℃；②JD3（第3级低压给水加热器）后的水温为86.3℃。JD4与JD3正是复合相变换热器进出口水温的常规值。故此在对热效率分析过程中，导入一股旁通水量G1（t/h），G1的作用是JD4和JD3的抽汽量数值发生变化期间发挥补给作用，其他参数在原则上不发生变化。

在对锅炉设备所有参数进行分析时，计算得到新汽和再热汽从锅炉吸取的热量是425.17MW，主凝水带回的热量是10.75MW，不同级别抽汽供热输出的热量是117.48MW，计算得出锅炉实际输出的热量Q1=425.17-10.75-117.48=296.94MW，额定电能输出Q0=124MW，那么若根据电厂生产每度电的热耗去定义装置热效率，ηt=Q0/Q1=124/296.93=0.418。

在有旁通流量G1后，导致两级抽汽量降低，其是△D3（供给JD3的抽汽减小量）与△D4（供给JD4的抽汽减小量）两者的总和，该数值和冷凝器前后工质焓差的乘积就是△Q。

经过计算，水调节空预器改造后的锅炉效率采用ηk'表示，则有ηk' =ηk+（ηk：锅炉效率；ΔTg：复合相变换热器改造前后排烟温度的差值。于是改造后的总效率），此时，改造后的总效率可采用如下公式表示：η'=η'·η'（η'：具有旁通流量G的循环热效率）。ktt1

在对改造后锅炉后期运行状况进行急性整体分析时，发现当排烟温度下降时，η'数值相应上升，但是从k热循环效率的角度分析，G的上升又促使η'降低。故此，1t η'对于η而言，是上升还是有降低趋势，绝不能依照以上的简单分析去得出相应定论，一定要经过计算过程。

在旁通水量G1与排烟温度波动性较大情况下，因为η'始终大于η，故此可以推测改造后的电厂在运行期间总能够获得正值收益。但是在复合相变换热器投资降低时（排烟温度下降幅度也相应减小），投资效益的回收周期最短，也就是说年收益额度最低。该种改造方式可以在小规模电厂中应用；而对于规模相对较大的电厂，最好选择相对较低的排烟温度，进而获得相对较高的年收益，与此同时也有助于降低能源耗损量，并优化周边环境。