热管科技在电力上的应用研究

清洁高效燃煤发电2018-05-08 09:32:01

【摘  要】:本文通过热管式空气预热器和热管式冷油器在电力上的应用研究,解决了管式空气预热器存在的漏风系数大、低温腐蚀、堵灰和传热效率差等问题;管式冷油器存在的容易内漏、管内结垢、维护费用高、传热效率差等问题。

【关键词】:热管;传热;相变;空气预热器;冷油器


1、 热管简介

热管是一种导热性能极高的被动传热元件。热管利用相变传热原理使得它本身的热传递效率比同样材质的金属高出几百倍。简单地说,热管就是一根里面抽成一定真空的金属管,里面所注的工作液体是热传递的工质。根据热管的用途不同,热管内选择的工质也不相同,最典型的工质就是水。根据热管循环方式不同,热管还可以分为重力自然循环,毛细动力热管和强制循环热管等。


2、 热管发展史

1963年,George M. Grover第一个发明并且制造出了热管。不过,通用汽车早在1935年就申请了类似元件的专利。直到20世纪60年代,热管才受到人们的重视。逐渐的,作为一种提高传热效率的元件,热管受到了众多国家实验室和商业实验室的重视,而不再仅仅是实验室的试验品。最早应用热管技术的是政府和军方。因为,热管的第一个商业用途是用于卫星上的系统。由于热管较高的成本和较小的需求,使得热管进入商业领域的进程非常缓慢。在当时,大部分的电子元件散热问题,用简单的金属散热块就可以解决。高端的军用设备是个例外,因为这样的设备需要热管的高性能,而且可以承受较高的成本。20世纪80年代,作为高端电子产品的散热设备,热管逐渐被市场所接受。特别是日本等发达国家发展很快。随着热管的普及,增长的需求降低了热管的制造成本。降低后的成本使得散热设计者们可以将热管应用于更多的产品。在20世纪90年代初,热管开始被大量应用,今天,热管已经被运用于数千种家用电器和各种工业换热设备中。


3、热管工作原理

热管工作分下面几个过程:管内工质从吸热端吸收热量汽化;汽化了的饱和蒸汽向放热端流动;饱和蒸汽在放热端冷凝液化放出热量;冷凝液体回到吸热端继续吸热汽化(如下图1所示)。


4、热管科技在电力上的应用

4.1 热管式空气预热器的应用

热管的传热原理决定着热管有以下基本特性:很高的轴向导热性;优良的等温性;高效的传热性。在电力工程上,应用热管换热器用作锅炉的低温级空气预热器(如图2示),能彻底解决低温预热器腐蚀、堵灰、磨损、换热效率低等问题。


热管式空气预热器相对于管式空气预热器有以下优点:

①可以彻底解决漏风问题:根据热管式空气预热器布置图我们可以看出,烟气在热管换热器的吸热端密封通道中流动,空气在换热器放热端密封的通道中流动,两个通道用防磨碳钢板隔开。既可以防止烟气、空气外漏,又可以避免传统管式空气预热器因为管道磨坏造成热风漏入烟气的问题,基本能保证漏风系数接近于零。
②可以减轻腐蚀:由于热管具有优良的等温性,所以每根热管的壁温基本上都是一个定值,而管式空气预热器的每根管子的壁温都是一个范围,热管式空气预热器端差远远低于管式空气预热器的端差,同样的排烟温度,可以提高烟气侧最低金属壁温,这样在锅炉运行工况变化时,管式空气预热器的所有管子都有可能处于严重腐蚀区,而热管式空气预热器只有部分管子可能处于严重腐蚀区,根据经验,热管式空预器可以比管式空预器管壁温度高30℃,使热管式空气预热器的低温腐蚀大大降低,使用寿命延长。
③具有良好的防堵灰性能。因为腐蚀和堵灰是两个紧密相关的问题,腐蚀问题的解决就防止了管壁上的结露,从而也就防止了严重积灰的发生。同时热管式空气预热器的布置方式也大大减少堵灰的可能。

④布置简单:由于热管式空气预热器高效的换热效果,使布置空间大大缩小,施工简单。

⑤节能降耗:大家都知道,锅炉的主要损失就是排烟损失,由于热管式空气预热器高效的换热效果,布置同样的换热面积,可大幅度降低排烟温度,可以节约大量燃料,达到节能降耗的目的。

⑥运行安全:可以解决低温预热器腐蚀、堵灰、磨损、提高换热效率等问题,保证机组安全、稳定、长期运行。

下面根据山东某电厂#2机组420t/h热管式空气预热器改造实例说明这个问题,山东某电厂#2机组420t/h热管式空气预热器改造前存在以下问题:

(1) 空气预热器内大量积灰、堵灰,严重影响了空气与烟气的换热,致使锅炉效率大幅下降,排烟温度持续上升,不得已造成停炉进行处理。

(2) 空气预热器大量漏风,导致空气预热器堵灰,增加了引、送风机单耗,不得已造成停炉处理。
(3) 低温结露金属腐蚀,已影响到空气预热器的整体寿命。
    改造后解决了以上问题并且各项运行指标变现优良,机组运行稳定,风机能耗大大降低(参照下表1):


从改造前后参数比较可以看出:改造前送风机已达最大出力,但送风量不足,氧量偏低,排烟温度偏低,再热汽温度低,已不能维持满负荷出力。改造后,在同样运行工况下:送风机电流平均降12A,吸风机电流平均降8A,送风量、氧量能满足满负荷要求;再热汽温度能维持在539℃以上;排烟温度平均降低3.17℃。从热试组漏风试验看,目前空预器漏风率较低,平均1.23%,平均降低20.39%,从炉渣情况看,虽然本次改造增加部分炉膛卫燃带,目前仍没发现结焦现象。

4.2热管式冷油器的研制与应用

在火力发电厂中,由于汽轮机转速高达3000r/min,所以其轴瓦的冷却很重要。要保证汽轮机轴瓦在规定的温度下连续安全运行,必须对冷却轴瓦的润滑冷却油进行冷却。常规的冷却方式是通过列管式冷油器实现的。

4.2.1列管式冷油器的结构及存在的问题

(1)结构:列管式冷油器主要由外壳、水室和芯子组成。由很多铜管和多层隔板组成的芯子装在圆形壳体内,铜管的两端均胀结在管板上。水从水室进入管内,油进入壳体在管束外流动。管外流动的润滑冷却油和管内流动的循环水通过铜管壁进行换热,从而达到用水冷却润滑冷却油的目的。

(2)存在的问题:由于结构上的原因加之存在腐蚀问题,这类冷油器在运行中容易发生润滑冷却油漏入冷却水中污染冷却水的问题。冷却水受到油污染的后果是十分严重的,也是环境保护法所不允许的,受到的经济处罚很严厉。并且大量润滑油漏入冷却水可能导致润滑冷却油缺失,造成设备损坏。主机冷油器用水量非常大,一般使用未经处理开式水直接通入铜管内,运行温度经常在40—50℃。因此铜管内表面不可避免地结垢,影响传热;并且冷却水中的泥沙和微生物容易造成铜管堵塞,需要定期人工捅刷清洗,维护工作量很大。一旦结垢或堵塞,将达不到润滑冷却油的冷却效果,严重时会限制机组的发电出力,造成较大的经济损失。

热管式冷油器的工作原理和独特的结构能很好的解决这些问题并能提高传热效率。热管技术在电站锅炉的空气预热器中已广泛使用,为进一步拓宽热管技术的应用领域和解决火力发电厂润滑冷却油冷却器存在的问题,电力生产中可以用高效热管式冷油器替代传统的列管式冷油器。

4.2.2热管式冷油器的工作原理和结构特点

(1)热管式冷油器的工作原理:温度较高的润滑冷却油从油入口进入油室流经热管的加热段,由于热管具有极高的传热性能,它将吸收的热量迅速的传递到热管的冷却段,然后被冷却水带走。由于热管式冷油器一般采用重力热管,热管内的工质液体是靠重力作用自然循环的,因此,冷油器的冷却水室必然装在上部。这一点与常规的列管式冷油器不同。这样,原来管内与外表面的换热就变成了在热管的两部分外表面的换热,为油、水彻底分开创造了条件。换热表面的污垢热阻对传热影响很大,而热管外表面的清洁工作要远比内表面容易,这也将减少冷油器设备的日常维护工作量。为了强化换热效果,可以在油室和水室内的热管束设计折流板,以使油和水流经热管表面时具有一定的流速和较大的混乱度,提高换热效率。每根热管作为一个独立的传热元件在油、水间传递热量,并且都分别焊接在油侧和水侧两个多孔板上,从而实现油、水彻底分开的目的。

(2)热管式冷油器结构特点:热管式冷油器的结构使油室和水室完全分开,它们之间通过高性能的热管传热。每根热管传热都是独立的,油和水均走管外,这样,一方面使维护清洗变得容易,另一方面彻底避免了由于管子泄漏而出现的油水相混的问题,大大延长了设备的使用周期,避免了油对水环境的污染。热管冷油器一般设计结构为:将很多根热管焊接在位于热管的中间部分并相距适当距离(一般100mm左右)的两个圆形多孔板上,一个多孔板外侧为热管的蒸发段(润滑冷却油段,也称加热段),另一个多孔板的外侧为热管的冷凝段(冷却水段,也称冷却段)。两段分别装在两个独立的圆形壳体内,壳体的法兰盘分别用螺栓组装在多孔板上。其工作过程为:润滑冷却油进入换热器蒸发段放出热量,热管内的工质发生相变传热至另一端的冷凝段,冷凝段通入的冷却水把由蒸发段传至冷凝段的热量带走,从而达到冷却润滑冷却油的目的。热管式冷油器的润滑冷却油和冷却水分别在两个不相通的壳体内,这就彻底解决了润滑冷却油渗漏入冷却水、污染水环境的问题,即使热管的蒸发段或冷凝段与多孔板的焊口有渗漏,也只能漏到两个多孔板中间空腔内,容易发现并且能够及时处理。

根据山东某电厂提供资料:热管式冷油器于2011年9月在山东某电厂300MW机组上与原有的列管式冷油器同时运行,经电力监督检测中心检测,检测数据见下表2。


根据表中数据比较可以看出,热管式冷油器的冷却效果比列管式好很多。列管式冷油器润滑冷却油的流量比热管式少近55m3/h;同样的入口油温,前者出口油温比后者要高2.4℃;以1台机组2台冷油器年运行6000h计算,节约冷却水量66万t。在节水的同时,也节约厂用电。该电厂共4台机组12台冷油器,若均改为热管式冷油器,则全年节约用水量264万t,创造了很好的经济效益和环境效益。由此可见,热管换热器有以下优势:①热管式冷油器彻底解决了油、水分离问题,使油冷却对水质的要求大大降低,具有优异的经济效益和环境效益,且安装方便,易于推广。②水侧结构便于清洁工作,可以使冷油器的冷却性能始终处于良好状态,大大减小了维护工作量。③热管式冷油器的投资比列管式冷油器稍高,但随着工艺的改进和系列化批量生产的形成,可以使热管式冷油器具有合理的性价比。

另外现在生产的高效抗腐蚀的热管也可以广泛应用到低温省煤器、GGH换热器等锅炉尾部烟气系统,可以减少换热器的布置体积,明显降低烟道阻力,减少堵灰、机械携带和腐蚀,热管显示出其无与伦比的优越性。

总之,在电力行业中,热管技术还可以广泛被应用于锅炉暖风器、变压器冷却装置等项目中,很多电厂的普通换热器改造成高效热管换热器都取得了很好的效果,创造了丰厚的经济效益。作为一名电力技术工程师,我衷心希望热管技术能给我们的电力行业带来更多的经济效益。随着热管科技的不断发展和完善,工程造价逐步降低,性能更加优良,我相信,在不久将来热管应用必将越来越广泛。


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