螺旋肋片管在山东某电厂#3 炉低温再热器改造中的应用

螺旋肋片管在山东某电厂3号炉低温再热器改造中的应用1螺旋肋片管在山东某电厂#3炉低温再热器改造中的应用黄新元1张勇2（1．山东大学济南250061，2.四川都江电力设备厂都江堰611830）摘要：报道了山东某电厂应用螺旋肋片管强化换热技术提高670t/h锅炉再热汽温的情况。就螺旋肋片管再热器的设计、结构、性能、制造、运行等方面做出较详细介绍。认为采用螺旋肋片管取代原光管受热面对双级布置的再热器系统进行改造，可成功解决再热汽温偏低问题。关键词：再热汽温；电厂节能；强化换热0.引言山东某电厂#3炉是武汉锅炉厂生产的WG670/140-1型中间再热煤粉锅炉，额定蒸发量670t/h，额定过热汽温540℃，额定再热汽温540℃，燃用山西混烟煤。再热器分两级布置，高温段再热器垂直布置于水平烟道，低温段再热器水平布置于尾部竖井的前烟道内。利用烟道分隔挡板调节再热汽温。按原设计，额定负荷下前、后烟道挡板全开，烟气偏流率为0.528/0.472。该炉自1988年1月投运以来，一直存在再热汽温偏低的问题。虽经燃烧调整以及局部性改造，仍无法解决。据改前一年的统计，该炉的平均再热汽温仅达到512.4℃，低于额定值27.6℃。长期以来为维持较高的再热汽温，运行中不得不全开前烟道挡板至100%，后烟道挡板仅开至30%，结果导致前烟道受热面烟气流速过高，低再和低再侧省煤器均出现较严重的磨损和频繁爆管。而大批地割、堵管子，又进一步加剧了汽温偏低的状况。同时，再热器的吸热量不足又引起了低再出口烟温以及排烟温度的升高。低再出口烟温高出设计值50～60℃，排烟温度高出设计值10℃左右，使锅炉效率降低。再热汽温长期达不到设计值，加大了汽轮机末级叶片的湿度，已对汽轮机的安全工作产生了不利的影响，若继续下去很可能会酿成重大事故。总之，该厂#3炉的再热汽温已成为严重制约发电机组安全经济运行的大问题，如不解决，将难以维持锅炉、汽轮机的正常运行。在这种情况下，电厂会同山东工业大学、四川都江电力设备厂三方，进行反复协商论证，确定了利用强化传热技术对#3炉再热器实施改造的总体方案。2000年1月，由山东工业大学设计、四川都江电力设备厂制造的LXDZ-1型螺旋肋片管低温再热器在该电厂#3炉安装投运。经运行测试，锅炉满负荷运行时，再热汽温达到额定值540℃，再热器的调温挡板恢复到设计开度100/100%，锅炉的排烟温度比改造前降低8～10℃，运行半年后检查，低再管束除少量松散浮灰一吹即掉外，基本无积灰存在。其余各项性能指标也都达到或超过设计要求。本次改造可认为是成功的。以下对LXDZ-1型低温再热器的布置、结构、设计、性能及使用等方面做较详尽的叙述。1．改造总体方案1.1改造技术路线经分析，#3炉再热汽温偏低的主要原因是再热器受热面积布置不足。高再、低再均存在此问螺旋肋片管在山东某电厂3号炉低温再热器改造中的应用2题，尤以低再为甚。此外，低再的烟温、汽温均低于高再，因此对低再进行受热面扩展改造，代价要比高再小得多。总的思想是：改造低温再热器，将原低再受热面的型式由光管管圈改为螺旋肋片管管圈，从而在有限烟道空间内扩展再热器面积至需要的数值。低再的新增受热面积同时应考虑补足高再的欠焓。1.2设计初参数表1是LXDZ-1型螺旋肋片管低温再热器的主要设计初参数。表1LXDZ-1低再主要设计初参数1.3改造方案介绍改造后的低温再热器（参见图1）由上、中、下三段组成，根据壁温计算分别使用了不同的管子材料。各段净高度自下而上分别为2518、1259、和1259mm，总高度8380mm。其最上、最下排管子的标高与原设计齐平。低再留有2个检修空间，其尺寸均大于原有的检修空间，方便检修。低再设计布置方式由原串联混合流改为逆流，采用该方式可节省钢材尤其是低再上段的合金钢。汽轮机的高压缸排汽由低再进口集箱4（φ426×20）经104根小集箱（φ89×8）分配后，沿6管圈蛇形管向上流动。经2个出口集箱5（φ419×20）分配至甲乙两侧流出。为避免平行管子水力不均产生热偏差，低再所有管子（共624根）的设计总长度彼此基本相等。低再设计为错排（原设计顺排）。顺排改错排后，管束横向节距增加1倍，烟气有效流通面积增大22%，有利于降低平均烟速、减轻磨损（由原设计wy=9.6m/s降低为8.0m/s）。与顺排方式相比，错排方式设计传热系数稍低（烟速降低所致），但错排由于气流扰动较强、管束沾灰减轻，可保持长期运行中实际上更高些的传热系数。低再保持原管屏数104屏，这主要是因为原悬吊管结构位置受低再下面省煤器的限制不宜更动。为布置肋片管，将原8管圈改为6管圈，蒸汽流速有所提高。但由于单屏管子的长度减少了18.37%,因此蒸汽流阻变序号项目单位数值序号项目单位数值1锅炉蒸发量t/h6706低再进口烟温℃7192煤质—烟煤7给水温度℃245.73再热蒸汽流量t/h5828燃料消耗量t/h89.34再热器进/出口压力MPa2.5/2.39过量空气系数—1.265低再进汽温度℃31410主烟道偏流率—0.528图1螺旋肋片管低再布置图1-低再；2-低过；3-高过；4-低再进口集箱；5-低再出口集箱；6-炉膛；7-烟气调温挡板；8-省煤器螺旋肋片管在山东某电厂3号炉低温再热器改造中的应用3化不是太大。螺旋肋片管采用高频焊工艺，光管规格φ42×3.5，肋高12～18mm，肋片厚度1.5mm，肋片间距采用8～14mm分布，以便于控制各段管子壁温。根据国内设计经验，以上各肋片尺寸的配合亦有助于减轻高温含灰介质的堵灰。螺旋肋片管的管材按照壁温计算结果，设计为低再下段采用20G优质碳钢，低再的中、上段均采用耐热合金钢（12Cr1MoV）。本次改造低再总传热量为2112.9kJ/kg，比原设计值增加了16.4%，计算传热面积比原设计扩展50%。经计算不仅可以恢复原低再的传热能力，而且可以补足原高再的吸热不足。低再的安装尺寸为8380（高）×4290（深）×11870（宽）mm，承压部件总重量169吨。LXDZ-1的主要结构参数和性能参数见表2。表2LXDZ-1低再主要结构参数和性能参数2．若干设计说明2.1壁温控制低再采用扩展表面后，光管表面积缩小，管子壁面热负荷增大、管子平均壁温和最高壁温均比原设计有所升高。为此，设计中采取以下措施进行壁温控制：逐级计算管壁温度，确定各段最高蒸汽温度和沿程主要计算点的壁温；依据计算结果，采用不同型号的肋片管（共4种），在低再的不同部位安排布置，以控制壁温；低再上段的前若干根管子和下段的前若干根管子均设计为光管，以降低相应管段的最高壁温；上、中、下三段分别采用不同材质的金属，使各段最高壁温始终低于管子的最大允许工作温度，并留有足够的安全余量。经计算，上段最高壁温（管子/肋尖）为520/556℃,下段最高壁温（管子/肋尖）为425/458℃,均分别低于相应管材的最高允许使用温度（580℃和480℃）。即使出现烟气偏流、水力不均等非设计工况，金属工作也较为安全。2．2磨损控制低再恢复换热能力后，烟道挡板恢复设计开度，从而使主烟道的烟气偏流大大地减轻。这样序号项目单位数值序号项目单位数值1主烟道偏流率—0.52811进口烟温℃7192烟气挡板开度%100/10012出口烟温℃399.23管子排列—错排13进口汽温℃3074基管规格mmφ42×3.514出口汽温℃4485肋片节距mm8～1415单位传热量kJ/kg2112.96肋片高度mm12～1816平均烟气流速m/s8.07管屏数—10417平均蒸汽流速m/s29.38每屏管长m4018蒸汽流阻Mpa0.2139横向节距mm22619最高管子壁温℃520/42510纵向节距mm5220换热面总重量t169螺旋肋片管在山东某电厂3号炉低温再热器改造中的应用4使低再的实际烟速降低一个可观的数值（由13.5m/s降低到8m/s），而磨损的速度则以3次方关系降低，从而大大减轻磨损。将原有的布置方式由顺排改为错排后，管子的横向节距s1增加一倍，有效通流截面积增大22%，对于降低烟气的平均速度也起了重大作用。采用各种防磨结构保护再热器。对于屏端弯头，采用集中大防磨罩保护全部弯头，该结构同时兼有抑制烟气走廊、促进烟气沿烟道横截面均匀分布的作用；对于管子弯头，采用上、下防磨护瓦结构予以保护，检修方便。对于肋片管的悬吊管空肋区（约70mm）亦采取特定结构加以保护。以上措施的采取可以有把握地消除低再的磨损、爆管问题。2.3再热器的压降本次改造将低再的管圈环绕数目作了改动，这样使蒸汽的流通截面积有所减小，蒸气流速增高（由w2=22.5m/s升至29.3m/s），这一方面有利于低再受热面利用的经济性和安全性，使管子壁温进一步降低，另一方面却使蒸汽流阻有所增加。但考虑到采用扩展表面后，蛇形管的总长度有较大减少（减少18.37%），所以整个再热器（包括高温段）流阻的增加并不多，仅为进汽压力的9.24%，仍然低于再热器允许压降10%的设计限值。我们计算了由于增加这部分流阻对汽轮机热耗的影响，热耗率的增加只有0.1279%，按年运行时数6000小时计算，年运行费用增加不超过12万元，与提升再热汽温的巨大的节能、安全效益相比，这个代价是非常小的。2.4关于载荷根据原设计，低再与低再侧省煤器的总重量是由104根φ51×6mm的悬吊管承担的。低再承压部件重量为156吨，低再侧省煤器重量为70吨，共226吨。改造后低再承压部件重量增加至169吨，省煤器重量则减少至45吨（低再侧省煤器已由光管式改造为螺旋肋片管式），整个悬吊重量比原设计不仅没有增加，反而减少了12吨，所以本次低再改造在载荷上没有问题。3.运行情况与效益分析2000年1月，LXDZ-1型低温再热器在山东某电厂#3炉顺利安装投运。经运行考核，各项性能指标均达到或超过设计要求。锅炉在额定负荷、再热器烟道挡板不做任何调整的情况下，再热汽温达到额定值540℃，比改造前提高27.6℃。锅炉的排烟温度比改造前降低8～10℃，由于烟道挡板恢复设计开度，消除了严重烟气偏流现象，锅炉的烟气总阻力反而有所降低，引风机电流比改造前减少10A左右。低再的磨损和积灰均较轻微。经计算，改造后锅炉效率提高0.7%，汽轮机热耗下降约1%，循环热效率增加0.25%，2项合计可降低标准煤耗5.27g/kwh，经济效益达290万元（按当时标煤价500元/吨标煤），本工程总费用450万元，投资回收年限仅一年半。如果计及由于再热汽温提高，对汽轮机运行可靠性和汽机寿命影响而产生的效益，则回收年限还会进一步降低。在本文撰写前不久，笔者回访了该电厂。由于运行年限已愈8年，该炉低再最上2排的螺旋翅片产生了一定程度的磨损和烧蚀（电厂分析与锅炉启、停不开汽机高低压旁路有一定关系）。但再热汽温仍能维持在535℃左右，可见低再运行至今，仍相当满意地保持了其提升再热汽温的能力。从机组DCS上下载的数据表明，低再进口烟温840℃（高于设计值），出口烟温485℃，烟温降为355℃，仍超过了设计烟温降（310℃）。螺旋肋片管在山东某电厂3号炉低温再热器改造中的应用5改造前、后的运行测试数据比较见表3。表3低再改造前、后的运行测试数据比较*——设计值。4.结论4.1采用螺旋肋片管取代原光管受热面对山东某电厂#3炉低温再热器进行改造，可成功解决再热汽温偏低问题，受热面壁温可得到安全保障。4.2改造后再热汽温在额定负荷下达到额定汽温540℃，汽温提高27.6℃。烟道挡板恢复设计开度，主烟道烟气偏流率减小至设计值0.528，再热汽温的调节性能大为改善。4.3低温再热器用螺旋肋片管束取代原光管管束后，只要设计合理，并不增加烟气流阻，蒸汽流阻也可控制在经济可行的数值上。低再的积灰和磨损均维持正常水平。4.4改造后锅炉效率提高0.7%,汽机热耗下降约1%，循环热效率增加0.25%，降低标准煤耗5.27g/kwh，经济效益达290万元/年。参考文献1．景元琢，电站锅强化传热管沾污系数试验研究[J]，锅炉制造，2005，№42．黄新元《电站锅炉运行与燃烧调整(第二版)》[M]，中国电力出版社，2007，2