H型肋片省煤器
在燃煤锅炉中的应用
目前,在我国许多300MW容量以下的机组锅炉上,都不同程度地存在着排烟温度高,尾部受热面磨损等现象。有的甚至严重影响了锅炉和整个机组运行的安全性和经济性。通常排烟温度每升高10℃,锅炉热效率约降低0.55%,如果能将锅炉排烟温度降低15℃,一台年运行7500小时,负荷率80%的300MW机组,一年至少可以节约6000吨煤左右。
 综观这些锅炉基本上都是采用了光管式省煤器的形式。实践证明:光管式省煤器虽然其烟气侧传热效果较高,但单位体积内传热面积较小,所以需布置足够多的省煤器受热面积才能有效地降低排烟温度,但由于锅炉尾部空间有限,过多的增加省煤器受热面积,将导致锅炉检修面积减小,省煤器处烟速提高,省煤器磨损严重,对于锅炉安全运行造成隐患。为此采用扩展式受热面来取代光管式受热面,以使在有限的空间内布置更多的传热面积,来增加省煤器的吸热量,降低其出口烟温,亦不失为一个有效方法。
众所周知,对流受热面采用扩展表面后能提高传热量及改变换热面壁温的作用。当换热面两侧的对流换热系数相差三倍以上时,为改善传热状况,通常在对流换热系数较小一侧的表面上附加直鳍片、螺旋鳍片、H型肋片或销钉等扩展受热面元件,以增加原基准面单位面积的传热量。
    H型肋片省煤器是在省煤器光管上把一对对肋片用自动电阻闪爆焊的方式焊接成型,其外形类似于低压锅炉的铸铁省煤器,它可以满足锅炉设计中对紧凑尾部结构的需要。它所布置的受热面是同样管径和长度光管省煤器的6~9倍,它所占的空间是光管省煤器的50~60%,能使锅炉大大降低成本、节省费用。这种成本的节省不但使尾部结构紧凑减少省煤器管材的使用,节省了投资,而且使支吊结构的设计和安装方面都更经济。
     H肋片省煤器排列呈顺列布置。肋片自然形成通道,这不仅使省煤器不易积灰和沾污,保持管圈的传热性能,并与其它扩展受热面形式省煤器比较烟气阻力大大降低,这是H型肋片省煤器的最大特点。在相同热负荷和烟速下,H型肋片省煤器比光管省煤器能节省40%的金属重量,而压降只有光管的一半。
     H肋片省煤器自然形成的通道对采用蒸汽吹灰具有特别好的效果。因为两边笔直的通道可以防止蒸汽向两侧扩散,从而保证了最大的吹灰效果。对于螺旋鳍片省煤器和热管空气预热器,最大的问题是积灰堵塞,而H型肋片省煤器是它的理想替代品。H肋片管上肋片的悬壁梁结构,气流卡门旋涡作用产生自振荡,从而减轻了灰尘的粘污程度。它同时也是防止省煤器磨损避免停炉损失和减少高维修费用的新结构。
     H型肋片省煤器归纳下来其主要优点如下:
    1.受热面的肋化系数高,对于常用的?38mm管子,焊接肋片高度28mm,肋化系数可达5.5以上。
    2.肋片的温度场比较均匀,对肋片金属的利用好,有更好的换热效果。
和螺旋鳍片相比较,由于肋片和气流流动方向平行灰粒不可能在肋片上沉淀,不会发生烟气流动通道的堵塞。
    3.可采用较高的气流速度,以增强换热效果,气流速度提高后,灰粒所具有的动能,在灰粒与肋片的不断撞击中,逐渐消耗,受热面不会产生磨损。
    4.设计中受热面的弯头全部置于烟气流动区外,完全排除了省煤器弯头的磨损问题。
 国外从50年代就开始了对H型肋片省煤器的研究,并从60年代以来大批应用于燃煤与燃油锅炉上。英国格林公司自1963年以来向世界各国发电厂供应了数百套H型肋片省煤器,尤其在大型机组上。随着我国电力工业的发展,锅炉容量不断增大,目前已成批量地生产300MW、600MW锅炉。其中的关键部位——省煤器也从光管发展到直鳍片、螺旋鳍片等多种结构形式。这其中一方面是由于随着锅炉容量增大尾部竖井受热面布置有困难,要走强化传热扩展受热面的路,另一方面也由于燃煤锅炉抗磨的需要。然而对燃煤电厂,在煤种多变煤质变差等因素影响下,省煤器在运行中不断产生磨损、堵灰、积灰,从而严重影响电厂的经济安全可靠性。二十世纪八十年代,我国“华能”公司为福州和大连两地电厂引进的整套发电设备中粉煤灰锅炉的省煤器就是H型肋片管结构。该装置运行十多年来,效果良好。
作为国内的几大锅炉制造业,多年来也已经在H型肋片省煤器的实际应用方面进行了大量的工作,并在大小不同程度的新机组锅炉和锅炉改造工程中用H型肋片省煤器,来取代原来的光管省煤器,主要工程有:常熟电厂3×600MW机组超临界锅炉省煤器、淮阴电厂2×300MW亚临界锅炉省煤器、山东里彦电厂2×135MW循环流化床锅炉省煤器、昆山3×130t/h循环流化床锅炉省煤器、山东莱城电厂2×130t/h循环流化床锅炉省煤器、河南姚孟电厂300MW机组#4炉尾部省煤器受热面的更换改造、新华电厂300MW机组#2炉尾部省煤器受热面的更换改造、开封电厂12.5MW机组#2炉尾部下级省煤器的改造、鞍钢电厂12.5MW机组#2炉省煤器的改造等,在这些工程的中,通过使用H型肋片省煤器,使锅炉的排烟温度比改造前都有较大幅度的下降,并大大改善锅炉的结灰和磨损,取得很好的实绩,受到了用户的好评和普遍欢迎。

H型鳍片管式省煤器
(Economizer with Finned Tube or Gilled Tube)
概述
H 型鳍片管省煤器是采用H 型鳍片管所制成的省煤器。H 型鳍片管
是鳍片管的一种特殊的型式,系采用闪光电阻焊的方法将鳍片在与管
子轴线垂直的方向焊接而成。按照鳍片与管子组合的方式,分作单H
鳍片管(见图1)和双H鳍片管(见图2)。

近年来 H 型鳍片管式省煤器得到了广泛的应用。最早出现在欧洲的锅炉上。随后,日本的主要锅炉制造商认识到这种新型省煤器具有许多独特的优点,也开始在容量高达1050MW 的超超临界燃煤机组上应用,取得了很好的效果。

在我国,早在上个世纪90 年代这种省煤器是应用在一些进口的锅炉机组上。例如2000 年以前在大连、福州、岳阳以及聊城、荷泽的300/600MW 的进口燃煤机组上就采用了H型鳍片管省煤器。2000 年在姚孟电厂#1 炉改造工程中也得到应用。
2002 年之后,我国开始建造一大批超临界600MW 机组。随着国外技术的引进,H 型鳍片管省煤器也开始应用。华润常熟电厂的600MW超临界锅炉上率先采用,随后一批超临界和亚临界机组上都得到广泛应用。
为什么H 鳍片管省煤器得到广泛的应用
1. 节省省煤器所占用的空间:有时是为了解决尾部布置上的困难:尾部竖井太长,以至于空气预热器很难置于竖井的下方,从而是锅炉占据的场地面积增加。现代锅炉一般要考虑装置脱硝装置(SCR),这往往使得尾部的空间更加拥挤。
2. 节省造价:采用H鳍片管省煤器时候,总的管组重量比采用光管时候有所减少,即使H鳍片管单位重量的价格比光管略高,但是总的来说还是有所降低。除此之外,由于管组总体重量和所占据空间的减少,相关部件(悬吊管、钢结构、包复等)也减轻了重量,降低了造价。
3. 抵抗飞灰磨损提高使用寿命。
4. 降低通风阻力和水阻力。

H 型鳍片管结构特点
在 H 型鳍片管省煤器中,蛇形管受热面的直管部分采用H 型鳍片管代替光管。这种省煤器在结构上有以下几个特点:
1. 直管部分基本为为双H 鳍片管,部分采用单H鳍片管;
2. 由小 R 标准弯头将H鳍片管连接成蛇形管排;
3. 弯头部分用隔板将弯头隔离于烟气流之外,以彻底防止烟气对于弯头部分的飞灰磨损;
4. 管组采用悬吊管或两端由包复壁(或烟道中间隔墙)上的托块支吊;
5. 管组的出厂组装方式根据支吊结构和运输条件确定。



H 型鳍片管省煤器的结构特性分析
1)H 型鳍片管属于扩展式受热面
光管外面焊上鳍片,自然增加了受热面。一般采用扩展系数来表明受热面增加的程度。
扩展系数=单位长度鳍片管总的表面积/光管的外表面积
单位长度鳍片管总的表面积=总的鳍片与烟气接触的表面积+管子外表面积-被鳍片遮盖住的管子表面积
典型的H 型鳍片管的结构要素为:
鳍片的宽度和高度大约等于2倍的管径。如果鳍片尺寸过大,尽管增加了受热面,但是由于沿着鳍片向管子热传导的路径过

长,引起鳍片端部的金属温度升高,降低了传热的效果。
鳍片的厚度一般为3mm,有的小型锅炉也会用2.5mm。
鳍片的间距为25mm。这主要受焊机结构的限制。在这样情况下,H型鳍片管的扩展系数大约在5 上下。
2)H 型鳍片管省煤器是属于紧凑型换热器,有以下几个因素可以提高单位空间中所能容纳的省煤器受热面。
与光管相比较,同样长度的H 鳍片管受热面要大约5倍(扩展系数)。
在烟气流程方向,H 型鳍片管的间距一般取决于管子弯头的弯管半径。近年来,随着弯管技术的提高,采用R/d=1.0-1.2

的弯头没有什么制造上的困难。另外一个因素是,为了提高管排的刚性和提高鳍片的焊接工效,一般都采用双鳍片管。在采用

双鳍片时,要是R/d过大,会造成纵向间距过大。这时鳍片的高度就偏大,与宽度不相称。传热效果不好,白白浪费了材料。
由于H 型鳍片管的耐飞灰磨损性好,因此一般选取较高的烟气流速。如果光管时候选取8m/s的话,H 性鳍片管则可以选取

11m/s。适当高的烟气流速同时也可以防止积灰。
为了防止弯头与烟道壁面相邻处所形成的烟气走廊地区的磨损,采用隔板将弯头隔离在烟气流之外,彻底解决了磨损。这样

做的代价是损失了一部分烟道截面,也就是空间。不过这个损失所占的比例不大。烟道较深时,也就是8%以下。综合以上因

素,单位空间所能容纳的受热面,H 型鳍片管大约是光管的7-9 倍 (见表1)。
考虑到实际采用的对流换热系数H 鳍片管比光管低的因素,两者所需要占据的空间比例大约是1:3。也就是原来采用光管时需要3 个管组,现在用一组H 鳍片管即可。
3)采用H 型鳍片管省煤器不但可以节省空间也可以减轻重量
节省管组占据的空间:单位空间所能容纳的受热面,H 型鳍片管省煤器大大大于光管,但是实际的设计还要考虑由于对流热系数的不同。H 型鳍片管的对流换热系数小于光管。在一般选取的合理烟气流速情况下,H 型鳍片管大约是光管的1/3。这样实际占有的空间,H 型鳍片管大约是光管的25-30%。如果光管省煤器有3 个管组,也许H 鳍片管只要一个管组就可以了。
可以用单位受热面的重量来考察材料的消耗量。由表1 的实例可以看出,管径和壁厚相同的情况下,H 鳍片管单位面积所需要的金属重量仅为光管的43%左右。其实采用H 鳍片管时,因为可以采用较高的烟气流速,管子的尺寸和横向节距都有所减小。这时候,两者的差别更大。例如对于实例5 而言,光管方案Φ50.8x7.89,鳍片管方案Φ44.5x6.2,此时两者重量比例为1:2.9。即使H 鳍片管的对流换热系数小于光管,总的来说,管束的重量仍旧小于光管。对于实例5 来说,考虑全部受压件的重量,两者相差约25%。


H 鳍片管抗飞灰磨损的措施和原理
H 型鳍片的方向与烟气流动方向平行。由于H 鳍片管的制造确保几何尺寸的准确性,众多的鳍片形成许多平行的通道,如同整流栅,形成有序流动,自然就减轻磨损。一般光管省煤器的弯头部分是防磨的重点部位,因为弯头与烟道壁面之间的空隙流动阻力系数比管束部分小,烟气得到加速,从而形成烟气走廊。烟气随着流程的进展,不断得到加速,以致流速大于
管束中的流速一倍以上。在其他同样条件下,磨损的速率与烟气流速的3-4 次方成正比。一般采用阻流板以防止烟气走廊的形成,在弯头上复盖防磨罩保护管子。
H 鳍片管省煤器采取彻底的措施,就是将所有弯头用隔板将其隔离出烟道,从而根本解决了弯头磨损问题。在局部对应吹灰器的迎风面,管子上(直段和弯管)复盖防磨罩,以保护管子。
图 5 所示为英国Drax 电厂660MW 的燃煤机组,在使用12 万小时之后,H 鳍片管省煤器未见明显的磨损。国内的有关电厂也没有发现明显的磨损。由于H 鳍片管的抗磨损能力很强,因此可以适当提高烟气流速。一般进口处可以达到15m/s 左右,管束中平均流速约为11m/s。

H 鳍片管的传热机理以及结构参数的选择
H 鳍片管是属于扩展受热面。扩展系数大约达到5 上下,也就是说鳍片部分的传热面积大于管子的传热面积,大部分传热在烟气何鳍片之间进行。烟气的流动情况和对流传热的形式比光管复杂。烟气和鳍片之间类似于在平行流道中的纵向流动。对流换热系数与烟气流速的关系不同于横向掠过光管的情况。但是鳍片间的管子对它来说又是一种扰动。

烟气和省煤器的传热途径大体为两路:
1)烟气与管子直接传热。这个过程与光管省煤器相同,但是在H 鳍片管的情况下,所占比例不大。2)烟气与鳍片的对流传热。然后是在鳍片中热量通过热传导方式传递到管壁。由于有在鳍片中热传导过程,因此鳍片的尺寸(高、宽和厚度)对于
整体传热有较大影响。
l 当鳍片的高宽尺寸过大时,热传导路径过长。同时鳍片接近根部时热流密度过大,使得鳍片外缘金属温度升高,可能导致超出许用温度,并且使传热效果变差。
l 当鳍片厚度过薄时,不但容易碰坏,更主要的是使得导热热阻较大,鳍片外缘温度升高。一般选取鳍片的外形总宽度为管子外径的2 倍。单鳍片时与总宽度相近。双鳍片时还要考虑s2 的尺寸,而s2 又取决于可以实现的弯管半径。鳍片的厚度一般选取2.5-3mm。
H 鳍片管的材料的选择
管子的材料一般为碳钢。选择原则主要取决于锅炉执行的标准。如果要求采用ASME 标准,则一般选择SA210C。这种材料比国内经常采用的20A 许用应力大约高10%。对于超临界机组,由于设计压力较高,建议优先选用SA210C。鳍片一般选用普通碳钢。由于鳍片与管子之间采用闪光电阻焊,因此选择的原则主要考虑材料的焊接特性。由于H 鳍片管省煤器结构紧凑,检修更换比较困难,因此要确保质量。管材要求采用信誉好的供货商的产品。直段不允许拚焊,也就是采用定尺管。原材料进厂后要经过严格的质量检查。采用 H鳍片管省煤器经济性的考虑采用 H 鳍片管代替光管的效益之一就是在多数情况下可以减低部件的制造成本。

有关省煤器本体的成本。一般可以考虑以下因素:
l 本体重量的降低由于采用鳍片式扩展受热面,而鳍片的厚度小于管子厚度,并且双面与烟气接触传热,因此单位受热面的重量比光管小。由于双鳍片管的刚性显著比同口径单根光管好很多,因此可以采用比光管省煤器较小的口径。这样是的H鳍片管省煤器的管束重量比光管省煤器有所降低。
l 由于管束重量和高度的减小,相关部分的重量也减小。其中包括悬吊装置、省煤器烟道外壁(包括炉墙金属构件、外护板、刚性梁)以及炉顶承重结构件。
l 鳍片管中管子的重量比例一般小于50%。鳍片材料的单价小于管子。考虑H鳍片管原材料的单位重量成本时,需要考虑鳍片的原材料利用率。完整的H鳍片管的单位重量材料费用是两部份的加权平均,一般小于管子的单价。因为比光管比较增加鳍片与管子的焊接工序,所以总的制成后的H鳍片管单价比光管略高。
综合以上分析,总的费用还是比光管低,因此有的制造商把采用H鳍片管省煤器作为“降本增效”的措施之一。
H 鳍片管的制造和质量要求
H 型鳍片和管子之间采用闪光电阻焊的办法焊接在一起。对于H 鳍片管的制造,一般要注意以下几方面的要求:
1. 管子要进行涡流探伤,表面采用抛丸或者砂带抛光的办法清除氧化皮。鳍片平整,表面酸洗处理。这些是保证焊接质量的重要环节。
2. 管子一般采用整根无拼接焊缝的定尺管,以避免管段上的焊接问题。
3. 鳍片的节距,与管子轴线的垂直度都有一定的要求。
4. 鳍片和管子间焊缝的质量要求包括融合率、融合周长(角度)、抗拉强度等。
采购程序和注意问题和常规光管省煤器不同,鳍片管省煤器是由专业供货商作为一个产品供货,而不是采用委托加工方式。
作为一个产品提供具有以下特征:
1. 供货商对于产品的各项性能负责。性能包括:在一切用户给定的条件下保证总的传热量、工质流动阻力、烟气通风阻力、使用寿命等等。
2. 总包商(锅炉制造厂)对于设计工况要提出明确要求,同时也要求鳍片管省煤器供货商对于其他工况提供预计的相关参数。供货商一般首先提供订货咨询单请锅炉厂填写。典型的咨询单的内容包括:
l 燃料数据:元素分析
l 燃烧产物(烟气)数据:烟气成分
l 烟气测数据:流量、进口和出口温度(对于双烟道要分别列出)
l 工质侧数据:流量、进口和出口温度(对于双烟道要分别列出)
l 有关结构要求:尾部烟道信息(单烟道还是双烟道、烟道深度和宽度)、受热面的支吊方式和尺寸、如果采用光管时省煤器
的结构尺寸什么情况下适合采用H鳍片管省煤器
l H鳍片管具有优异的抗磨损性能,同时在结构上采取将弯头部分隔离于烟气流之外的做法,是的H 鳍片管省煤器具有优良
的抗磨损特性;
l H鳍片管省煤器可以占用较少的空间,因此在锅炉尾部布置有困难时候特别适合采用;
l 采用 H 鳍片管省煤器可以降低制造成本,一般来说在超临界和超超临界锅炉效果更加明显。超临界和超超临界机组总体技
术等级较高,因此配置也应该相应较高。另外直流锅炉的省煤器受热面一般比自然循环要大许多,在加上压力等级高,因此
制造成本的降低就很明显。在国外也应用于低参数的锅炉,这些锅炉的省煤器受热面也较大,因此造价可以相对降低;
l 某些要求增加省煤器受热面以降低排烟温度的技术改造项目,由于现有锅炉的尾部空间受到局限,这时可以考虑采用H 鳍
片管省煤器,替换原有受热面。这样新的省煤器就可以在原有的空间不变的情况而达到增加吸热量的目的。


结束语
1. 国内外的大量实践证明H鳍片管具有很多优点:节省空间、减轻重量、抗磨损、降低工质和通风阻力、降低造价等。
2. 如果从降本增效的角度考虑,特别适合超临界和超超临界机组采用。
3. 对于需要增加省煤器受热面的改造项目,这是一个较好的选择。
4. 对于CFB锅炉,由于国外对于积灰特性没有积累足够的经验,建议慎重研究。