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某600 MW机组MGGH一级换热器故障分析及改造方案探讨

2024-11-12 68 上传者：管理员

摘要：某电厂600 MW机组MGGH一级换热器投运不到三年就陆续出现冷却水泄漏问题，造成换热器积灰堵塞，影响电除尘器安全运行，并对烟囱的安全性产生影响。现首先分析该机组一级换热器的故障原因，并提出相应的解决对策；然后重点提出将一种新型的三维变空间高效管作为换热元件，对三维变空间高效管应用于MGGH一级换热器的改造方案进行探讨与分析，可为同类型换热器的改造提供参考和借鉴。

关键词：
一级换热器
三维管
改造方案
故障分析
烟气冷却器
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近十年来，全国对燃煤机组全面实施了超低排放和节能改造，其中MGGH(Media Gas-Gas Heater，热媒体气气换热器）作为超低排放的高效处理技术在国内得到了广泛应用。MGGH系统是一个闭式循环系统，主要由布置于电除尘器前的一级换热器（也称“烟气冷却器”）和布置于脱硫塔后的二级换热器（也称“烟气加热器”）组成，热媒水先进入一级换热器回收烟气余热，加热后的热媒水进入二级换热器加热脱硫后的低温烟气，实现烟气余热利用、提高电除尘效率、减少“石膏雨”、降低烟囱防腐维护费用等多重效果[1]。

实际运行中，受到各种因素的影响，一级换热器的换热管会出现冷却水泄漏问题，造成烟风道积灰堵塞，影响电除尘器安全运行。此外，一级换热器堵塞后，其换热性能将大幅降低，导致吸收的热量无法满足二级换热器出口烟温要求，进而会对烟囱的安全性产生影响。

1、原一级换热器改造前概况

某电厂600 MW机组于2017年配置了MGGH系统，在机组除尘器前水平烟道设置一级换热器将除尘器入口烟气温度由135℃降至94℃，吸收塔出口设置二级换热器将脱硫后的净烟气由45℃加热至80℃排放。

2020年后，一级换热器开始出现换热管泄漏，在额定负荷工况下烟气侧阻力最高值可达3 000 Pa，远超设计值。同时，随着一级换热器的泄漏和堵塞，电除尘器的除尘效率降低。过高的阻力一方面使得锅炉引风机出力受限，部分工况下泄漏电除尘进水导致极板和阴极线粘灰造成电场短路，另一方面还会导致电除尘灰斗、输灰仓泵和管道内湿灰粘连，堵塞输送，且易造成灰库内出现灰块板结，威胁整个输灰系统的安全运行，同时使得脱硫塔负荷增大，系统淡水耗量急剧增加。

严重时，泄漏量太大甚至会导致MGGH系统退出，造成机组出力受限和烟尘排放超标，触发环保部门处罚机制，给企业造成重大损失。

2、原一级换热器故障分析

MGGH换热器的故障主要包括积灰、堵灰、泄漏、腐蚀等，并且经常是同时发生，其故障原因复杂，通常都是由多种因素共同引发，具体到本项目，故障原因分析如下。

2.1入口烟道流场不均匀造成磨损泄漏

一级换热器布置在除尘器前、空预器后水平烟道上，根据现场实际情况，烟道水平段较长，低负荷运行时烟气流速较低，容易积灰，同时换热器进口扩散角度较大，烟气在设备迎风面形成了严重涡流和死角，在迎风面下部沉淀积累的灰越来越多，使得迎风面上部的通流面积大大减小，造成满负荷时局部流速过高，加剧换热面磨损，导致部分换热管被磨穿发生泄漏，缩短了设备使用寿命。一旦发生泄漏，灰分与热媒水介质迅速混合形成大量黏性灰垢，造成板结性质的堵灰，将进一步恶化换热面流场，从而加剧换热面磨损，形成恶性循环。

2.2酸露点腐蚀造成泄漏

通过对机组2021年入炉煤质的分析，发现相较设计煤种和校核煤种（设计煤种的酸露点温度约109.1℃，校核煤种为105.2℃），实际煤质变化较大，导致烟气的酸露点温度升高。由于循环水进口水温为75℃左右，因此换热管进水端壁温接近75℃，低于烟气酸露点温度，管壁容易结露形成酸液，发生低温腐蚀。烟气中水蒸气和SO3、SO2经过化学反应，生成稀硫酸（H2SO4），不仅对换热面产生局部酸露腐蚀，而且水和烟气中飞灰混合后在换热管束及肋片上形成板结积灰，使得热阻进一步增大，壁温进一步降低，腐蚀和板结情况更加严重，逐步形成恶性循环，加剧局部腐蚀和局部堵灰，其中局部堵灰又形成烟气“走廊”而加剧局部磨损，由此，换热面最终出现两种后果：腐蚀泄漏和磨损泄漏。泄漏的循环水又与烟气中的飞灰迅速混合形成大量黏性灰垢，造成大面积堵灰问题。

2.3换热器选型及布置的影响

原一级换热器采用H型翅片管横向布置，换热管排翅顶间距5 mm，翅片间距15 mm。由于翅片间距只有15 mm，灰分的附着面积大大增加，而且翅片表面粗糙，前后管排的翅片很难做到对齐。两排H型翅片管间存在间隙，空间的不连续导致该区域附近流动紊乱度增加，一旦整个换热管束出现局部壁温过低，或者流场不好，将迅速使得该区域产生冷凝水，并与烟气中的灰分发生混合而形成粘结性的灰垢，容易粘附在H型翅片两侧狭长的通道，短时间内完全堵死通道，并逐渐从小迎风面积发展至大迎风面积，导致换热元件的严重腐蚀和磨损。

2.4烟道漏风造成局部受热面壁温过低形成低温腐蚀和堵灰

由于安装时，烟道焊接没有密封好，外部冷空气漏进烟道刚好对着受热面，使得受热面局部壁温过低形成低温腐蚀，长时间累积后该位置最终因腐蚀而泄漏，泄漏的介质与灰分迅速混合形成大量黏性灰垢，导致大面积堵灰，且泄漏的介质与灰分中的腐蚀成分形成了稀硫酸，又造成附近其他本没有腐蚀条件的换热元件也发生腐蚀，形成恶性循环。

2.5烟气中灰分颗粒性质造成受热面过快磨损失效

观察烟道内积灰发现，迎风侧积灰颗粒直径较大，灰粒比较坚硬，而其他电厂的锅炉尾部灰粒较细软，坚硬的灰粒造成换热器过快磨损失效。

2.6脱硝氨逃逸引起硫酸氢铵结露导致沾污腐蚀

脱硝工序中部分氨未与氮氧化物发生反应而随着烟气流出，产生氨逃逸，生成硫酸氢铵。硫酸氢铵是一种黏稠的物质，具有吸湿性，露点温度为147℃，粘附在换热管表面吸附烟气中的水分及飞灰，长期累积会使换热器堵塞严重。本项目发生严重积灰的2、3号烟道烟气入口温度为143～145℃，十分接近硫酸氢铵结露温度点，同时，换热器烟气进口端管壁温度为125～130℃，比硫酸氢铵结露温度低10～20℃，烟气中的硫酸氢铵极易结露粘附在换热管表面，从而吸附烟气中的水分及飞灰，形成恶性循环，造成换热器严重堵塞，并对换热器产生腐蚀。

3、故障解决对策

针对上述故障原因分析，提出相应的解决对策如下：

1）通过CFD进行气流分布模拟，根据模拟结果加装导流板改善烟气流场，使其趋于均衡。

2）换热元件采用ND钢或采用普通钢加防腐防磨涂层，提高耐酸露腐蚀能力。此外，换热元件可采用热管型式，利用热管壁温可调的特性，优化设计换热管冷凝段与蒸发段的面积比，确保换热管壁温在有限腐蚀范围内。

3）选用新型高效的换热元件，如采用三维变空间高效管（简称“三维管”）作为换热元件，优化换热器管排布置及总体结构设计，选择合适的设计流速，提高MGGH设备本身对机组负荷变化的适应性，进而从根本上改善设备低负荷积灰堵灰、高负荷磨损泄漏以及腐蚀恶性循环的情况。

4）针对烟道漏风问题，安装烟道时严格检查焊接密封性，确保不漏风。

5）针对因脱硝氨逃逸引起的硫酸氢铵结露沾污腐蚀问题，通过增设智能监控模块，增加运行优化控制调节手段，实现精准喷氨，改善空气预热器及MGGH的运行条件，提高锅炉尾部烟气系统及设备对煤质变化及调峰负荷变化的适应性，并配合MGGH改造方案同步实施，这也是解决本项目痛点的一体化有效措施之一。

4、三维管应用于一级换热器的改造方案

针对MGGH一级换热器及同类换热器的故障痛点，行业内迫切需要一种改进的换热器结构，其中耐磨损、不易泄漏、抗积灰能力好、换热性能高的换热元件非常关键。

4.1三维管介绍

如图1所示，三维管是一种三维空间螺旋状变化的异型管，是通过内外流体各自不断旋转混合并破坏靠近壁面的传热边界层，形成二次流来强化换热。同时，其具有三维变空间、变截面、多通道的特性，不仅使得由三维管组成的管束流场高度均匀无死角、无涡流，且能使流体与壁面接触成为摩擦流（常规换热管为碰撞流），大大降低了流体的流动阻力和磨损率[2]。

图1 三维管模型图

4.2改造方案分析

一级换热器采用三维管作为重力热管的吸热元件，构成新型三维重力热管技术，这样既可以利用三维管烟气侧强化传热、抗积灰、抗磨损、抗腐蚀等优点，又可以结合热管内高效热传导、远距离热传输、不导致大规模泄漏等特性，有效解决积灰、磨损和泄漏问题。三维重力热管原理如图2所示。

图2 三维重力热管原理及管排结构示意图

如图3所示，一级换热器高、低温端均采用三维重力热管横向布置。每一根热管都是独立的，管内工质互不相通，相邻热管相互间不串漏。吸热端位于水平烟道，放热端位于烟道外，吸热端与放热端被烟道隔板隔开，为第一道隔离层。同时放热端被水套管包裹，冷却水在热管基管的外壁面和水套管内壁面之间流通，水套管和热管基管焊接后将冷却水隔离在烟道隔板的上端，为第二道隔离层。因此，此方案可实现冷凝水与烟气的双重物理隔离，当MGGH系统循环水泄漏时，水侧的冷却水无法进入烟道，彻底杜绝了冷却水向烟道泄漏的安全隐患，解决了MGGH系统循环水泄漏引发的次生问题[3]。

图3 改造方案布置示意图

经设计计算，虽然三维管因为加强了管内外流体的扰动，具有换热系数高[三维管换热系数高达65 W/（m2·℃）]，抗积灰性能、抗硫酸氢铵粘附性能优异的典型特征，但其单根换热面积小，本次改造一级换热器、二级换热器出口烟温参照原设计参数，如全部采用三维管布置，将存在设备占地面积大，现有场地无法满足布置要求的问题。

针对目前燃煤机组多数存在硫酸氢铵粘附空预器及一级换热器、换热器前排翅片管磨损较为严重的情况，提出基于以上方案的优化方案，即高温段迎风面前四排采用三维管，其余采用U型开齿翅片管热管的组合形式。该优化方案具有下述优点：

1）在迎风面前四排布置三维管，可以起到传统防磨假管的作用，同时将原本不参与换热的假管替换为高效换热的热管，技术经济性更好。2）将低温循环水先引入三维管加热，加热后的循环水再进入U型开齿翅片管热管继续加热，可充分利用三维管换热系数高的特性，通过增加三维管的对数平均温差，实现快速降温。经理论计算，布置四排三维管可实现4～5℃的降温幅度。3）错列布置三维管，通过有效组合三维变空间的特性，实现高动能、高浓度粉尘的高效拦截，减轻后续U型开齿翅片管热管的磨损和积灰。4）三维管与U型开齿翅片管热管耦合布置，占地小，阻力小，设备投资大幅降低，技术经济性更佳。5）考虑到本项目主要须满足二级换热器温升要求，经热平衡计算，一级换热器进口烟温从135℃降至103℃即可满足该要求，故本优化方案的一级换热器出口烟温无须降到90～95℃。因此，优化方案满足一级换热器降温幅度要求，同时能在现有场地内完成热管一级换热器的布置，基本实现了支架、基础不加固，仅进行适应性改造，烟气阻力小、设备投资合理的目标。

5、结束语

MGGH一级换热器采用三维管作为重力热管的吸热元件，该新型三维重力热管技术，既可以利用三维管烟气侧强化传热、抗积灰、抗磨损、抗腐蚀等优点，又可以结合热管内高效热传导、远距离热传输、不导致大规模泄漏等特性，有效解决了积灰、磨损和泄漏问题。

在实际应用中，虽然三维管单根换热面积小，若所有换热元件采用三维管难以满足现有场地布置要求，但本文提出的优化方案，即高温段迎风面前四排采用三维管，其余采用U型开齿翅片管热管的组合形式，结合二级换热器温升需求的合理设置，即可满足改造要求。

参考文献:

[1]郭家旺.浅析MGGH烟气处理技术在国内的应用[J].科技创新与应用,2016(12):118.

[2]杨胜,张颂,张莉,等.螺旋扁管强化传热技术研究进展[J].冶金能源,2010,29(3):17-22.

[3]谢玲,张洪涛,李吉业,等.烟水双隔离相变式烟气深度冷却器技术研究[J].装备制造技术,2023(12):36-39.

文章来源:庞先园,吴昊,余春生,等.某600 MW机组MGGH一级换热器故障分析及改造方案探讨[J].机电信息,2024,(21):77-80.