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熱管換熱器在電站鍋爐中的應用研究

點擊:1743 日期:[ 2014-04-26 21:08:06 ]
                     熱管換熱器在電站鍋爐中的應用研究                                     賈勇          大唐長春第二熱電有限責任公司運行管理部,吉林長春130031     摘要:電站鍋爐排煙通常帶有較高的溫度,從而導致鍋爐熱損失偏大,造成能源浪費,提高電站鍋爐能量利用效率的研究重點是對煙氣所含有熱量的回收與利用。本文介紹了熱管換熱器的結構及工作原理,分析了其傳熱特性。并針對其在電站中實際應用的經濟性進行了分析,結果表明,熱管式換熱器具有傳熱效率高,較高的抗低溫腐蝕和防積灰堵灰的能力,并且針對于200℃以下煙氣的能量具有較好的回收效率以及較好的經濟性等特點,實現了能量的梯度利用。因此熱管換熱器在中低溫煙氣余熱資源回收利用方面具有廣闊的應用空間。     關鍵詞:熱管;熱管換熱器;余熱回收     中圖分類號:TK22 文獻標識碼:A 文章編號:1674-6708(2012)75-0146-02     0·引言     目前,電站鍋爐較高的排煙溫度所造成的能源浪費現象已日益引起關注。電站鍋爐的正常排煙溫度在120℃~150℃之間,煤質不穩時排煙溫度則通常會高于160℃。因此,為建設節約型社會,我們不斷尋求能量回收的途徑和辦法。我國目前的鍋爐煙氣能量回收大多是利用省煤器來回收200℃以上的煙氣,而對于中、低溫度煙氣的回收,由于受到省煤器結露腐蝕的影響還有一定的困難。文中介紹的熱管換熱器是一種將傳統換熱器改造后節能效果明顯的新型換熱器。它對節約能源、減少成本,鍋爐余熱回收等方面具有突出優勢,很好地實現了能量的梯級利用。     1·熱管換熱器的結構及工作原理     1.1熱管換熱器的結構     熱管是由管殼、吸液芯和工質組成一個封閉系統(如圖1所示)。熱管為全密封狀態,管殼在最外端其兩側附有金屬端蓋,管殼的選擇需滿足兩個要求,即保證在長時間工作后不會有不凝結氣體的產生影響到傳熱的效果,且還要能夠承受一定的內壓。管殼內壁裝的吸液芯呈多空狀特性,可將冷凝液從冷端吸到熱端,備蒸發傳熱用。管內環境為真空狀態,裝有傳熱的工質。熱管就是利用工質相變的物理過程,以潛熱形式來實現熱量傳遞的[1]。                  1.2熱管換熱器的工作原理     圖2所示為熱管換熱器的工作原理,即在熱管換熱器內,經過潛熱換熱過程,煙氣的熱量從蒸發段傳遞到冷凝段,并連續不斷往復進行,從而完成熱量的傳遞[2]。具體來說,煙氣進入熱管后將熱量傳遞給蒸發段,熱管內載熱工質的傳熱過程包括:在熱管的受熱段,由于管內工作介質吸收了煙氣的熱量從而獲得蒸發潛熱而汽化,蒸汽被存在于冷凝段和蒸發段的壓力差推動著,由蒸發段移動向冷凝段,然后蒸汽在冷凝段放出的冷凝潛熱被外界低溫介質帶走,蒸汽凝結,換熱過程結束。同時,由于重力作用使載熱介質返回蒸發段,新的傳熱過程又重新開始,循環進行。如果冷凝液憑借重力作用自然返回加熱段,管芯可省去。這種熱管叫做“重力輔助式熱管”或“熱虹吸管”。     熱管內部所裝的工質是熱管進行潛熱換熱的介質,因此其必須具備良好的熱物理特性,且工質的臨界點必須高于所確定的工作溫度。                   2·熱管換熱器的特性     2.1熱管換熱器的基本特性     熱管換熱器的特性可分為以下幾點:     1)熱管換熱器的導熱過程是依靠工質的相變過程中,借助工質氣化、凝結等潛熱變化來實現熱量傳遞的;     2)由于熱管換熱器內部的飽和蒸汽壓力梯度不大,內部的工質呈現汽、液兩相共存狀態,同時蒸汽在流動方向溫度變化非常小,使得在軸向方向熱管有較好等溫性;     3)熱管換熱器中傳熱量和管壁溫度的調控是由加熱段和冷卻段傳熱面積比的變化來調整的;     4)熱管換熱器的熱量傳遞是自發由加熱段到冷卻段,無需外力推動,為單向導熱;     5)熱管換熱器的冷、熱端可分離,且兩端均可加鰭片。因此熱管換熱器具有較好的傳熱性和方便操作、安裝的特點,不僅可用于余熱回收利用,還可應用于其他領域的傳熱等方面。     2.2熱管換熱器的傳熱特性     與傳統換熱器相比,熱管換熱器具有以下傳熱特性:     1)針對不同的換熱情況,熱管換熱器均表現出一定的傳熱優勢:在氣—氣換熱的場合,熱管換熱器可在兩端裝翅片,從而強化冷熱兩端給熱并提高總傳熱速率。在液—液換熱情況下,若換熱介質溫差很小,可在熱管換熱器兩端同時翅片化,不僅增加了傳熱速率還避免了設備過于龐大的問題。在氣—液換熱的情況下,可以通過調整氣側與液側傳熱面積的比值來解決氣、液給熱系數相差大的問題,使總傳熱能力提高。     2)熱管換熱器布置方便且有很強的防積灰堵灰能力。由于熱管是獨立管件,熱管換熱器中冷、熱流體兩側的傳熱面還具有布置靈活的特點,使得冷、熱兩側獨立分開、無關聯影響,從而為熱管換熱器在應用于兩種溫度、流量相差懸殊的流體時,能保證良好的傳熱條件提供了基礎[3]。同時,由于熱管外壁的煙氣橫掠換熱和管壁高溫呈現的干燥狀態兩者共同的結果,導致熱管外壁不會結膜而且不容易黏灰,具有良好的防積灰堵灰能力。     3)熱管換熱器具有較好的抗低溫腐蝕的能力。熱管換熱器不用于傳統型式的換熱器,傳統的省煤器由于受到煙氣中硫酸蒸汽含量對煙氣露點的影響,即煙氣中存在極少量的硫酸蒸汽,則煙氣露點便會急劇升高,導致省煤器受到結露腐蝕現象的限制,對煙氣的熱量利用率較低,致使大量熱量的浪費[3]。     而熱管換熱器可在鍋爐工況變化時,調整加熱段和冷凝段的長度比,調整低溫處冷、熱段鰭片的數量和間距等方法改變煙氣側和空氣側的熱阻比,這樣可以很好地避免硫酸蒸汽結露的發生,實現調節熱管壁溫和防止低溫腐蝕的效果。     3·熱管換熱器的應用     我國研究熱管技術的時間較早,目前將其應用于鍋爐技術中最常見的形式應當是對空氣預熱器和省煤器的改造應用。尤其是近幾年,為了使鍋爐保持長期平穩運行,更好地解決低溫受熱面的腐蝕、堵灰、磨損等問題,有相當數量的電站鍋爐安裝了熱管式空氣預熱器加以改進。這種熱管式空氣預熱器不僅能有效地防止漏風,還減少了排煙熱損失,對節能、提高電廠的經濟效益效果十分顯著。如某發電廠的改造實例,該廠將3號鍋爐低溫段下級空氣預熱器改造成熱管式空氣預熱器,經過測試、計算和比較,改造前后在電耗、防止漏風、減少排煙熱損失等方面均有明顯效果,改造前后的參數值參見表1。假若上網電價為0.43元/(kW·h)、鍋爐每年運行6 800h計算,則3號鍋爐年節電為2.32GW·h,節省約98.25萬元。具體來說,在電耗方面,改造前后的引、送風機電流均有明顯降低;在防止漏風方面效果顯著,漏風率由之前20.52%降為5.18%。                                 省煤器的主要作用是降低排煙溫度,提高鍋爐熱效率。熱管式省煤器較傳統省煤器具有使用壽命更長、傳熱效率更高等優點,而且熱管式省煤器幾乎不受煙氣攜帶灰塵的磨損,即使發生磨損也僅限于熱管的加熱段內。同時,由于每個熱管之間是獨立的,單根熱管的損壞不會關聯到其他管的傳熱,更加提高了省煤器工作的穩定性,且便于檢修[4]。近幾年,我國很多電站均將熱管技術應用于省煤器的改造,其收到效果顯著。隨著熱管技術的日益成熟和學者們更深層次的探索,很多新興的應用方式也逐漸涌現,如:熱管凝汽器的應用;在電站鍋爐煙氣脫硫系統中將排放出的煙氣用熱管換熱器加熱,以達到減少污染的效果等等。     4·結論     熱管換熱器具有明顯的抗低溫腐蝕、傳熱性能好以及防積灰堵灰的優勢,其在電站鍋爐中應用到空氣預熱器及省煤器的改造上,不僅提高了熱循環效率,具有較好的經濟性,還實現了能量的梯度利用,節約了相當的燃料并減少了對環境的污染。同時,我們也不斷探索熱管換熱器在更廣闊技術領域方面的應用,其發展前景良好。 參考文獻 [1]方彬,白文彬.鍋爐和窯爐節能熱管換熱器[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1985. [2]吳東根,李寶巖,楊金社.熱管空氣預熱器的應用[J].中國能源,2000(6):40-42. [3]莊駿,張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京:化學工業出版社,2000. [4]張清蘊.熱管空氣預熱器設計、運行中的幾個問題[J].中外能源,2006,11(4):85-87.
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