厦门铭光：基于宽通道板式低温省煤器的余热回收技术研究与应用

基于宽通道板式低温省煤器的余热回收技术研究与应用

洪晓波  唐伟杰  马少闻

（厦门铭光能源科技有限公司，福建 厦门 361000 ）

摘要：目前，火力热电厂受限于技术原因，低温省煤器(一般置于空预器后)基本采用管式低温省煤器进行高温烟气余热回收，但管式低温省煤器换热效率低、易积灰、堵塞和磨损严重，烟气余热利用程度有限。 相反，宽通道板式低温省煤器具有传热系数高、抗腐蚀、抗磨损和占地面积小等优点。 专门针对火力热电厂开发了新型高效宽通道板式低温省煤器，根据不同设计条件，调节板间距离来达到最优的余热回收效果。陕西某发电厂设置新型高效宽通道板式低温省煤器，相对于项目实施前，电除尘器入口烟温降低30 ℃ ，提高一、二次暖风器风温和低加系统凝结水温度，在火力发电节能减排领域起到了示范作用。

关键词：宽通道板式低温省煤器、暖风器、余热回收、热效率、阻力、凝结水

Research and application of waste heat recovery technology based on Wide Channel Pillow Plate Low Temperature Economizer

HONG X B, TANG W J, MA S W 

Abstract: At present, thermal power plants are limited by technical reasons. Low temperature economizers (usually placed after air preheaters) are mainly made of tubular low-temperature economizers for high-temperature flue gas waste heat recovery. However, tubular low-temperature economizers have low heat exchange efficiency, serious ash accumulation, blockage and wear, and limited utilization of flue gas waste heat. On the contrary, the wide channel plate type low-temperature economizer has the advantages of high heat transfer coefficient, corrosion resistance, wear resistance, and small footprint. A new type of high-efficiency wide channel plate low-temperature economizer has been developed specifically for thermal power plants. According to different design conditions, the distance between plates is adjusted to achieve the optimal waste heat recovery effect. A new high-efficiency wide channel plate type low-temperature economizer has been installed in a power plant in Shaanxi. Compared with before the project implementation, the inlet flue gas temperature of the electrostatic precipitator has been reduced by 30 ℃, and the air temperature of the primary and secondary air heaters has been increased, which has played a demonstration role in the field of energy conservation and emission reduction in thermal power generation..

Key words: Wide Channel Pillow Plate Low Temperature Economizer、Air Heater、Waste heat recovery、Thermal efficiency、Resistance、Condensate water

锅炉尾部烟气热量深度利用是电站实现节能减排的重要手段。宽通道板式低温省煤器具有传热系数高、抗腐蚀、防磨损和占地面积小、节能效果稳定，在工业行业案例应用广泛。在电厂锅炉尾部，一般在空预器后、除尘器前或引风机后、脱硫塔前设置低温省煤器是应用范围最广、技术最成熟的烟气热量利用形式，目前宽通道板式低温省煤器系统在陕西某电厂已实施应用，节能效果显著。相较于传统管式省煤器，板式低温省煤器能大幅提高热回收率，从而提高了锅炉系统综合热效率，解决了传统形式低温省煤器的问题，为生产企业带来了巨大经济效益，且由于其抗腐蚀结垢能力更有优势等特点，已成为目前新型低温省煤器研发的热点［１］。

1、 宽通道板式低温省煤器的应用

鉴于管式低温省煤器频繁发生磨损泄漏和堵塞以及低换热效率，新式低温省煤器也在不断地发展，宽通道板式低温省煤器就是其中之一。

1.1宽通道板式低温省煤器的基本特点

（1）结构形式

采用激光全自动无氧化焊接技术，根据设计的循环水分程流道将两块换热板片通过焊接圆固定，再采用液压或气压臌胀形成宽通道泡板，泡板板面呈对称形状向两侧面膨胀，由此形成单片换热元件，如图1所示：

图1 换热板结构图

（2）产品优势

由于特有的结构形式，宽通道板片在低温省煤器方面有如下优势：

①换热性能高

换热板内外流体的湍流设计，工质侧可多流程交叉流，换热效率较高[2]。国内外有专家学者在此方面做了很多工作，Mahmood Mastani Joybari等[3]就雷诺数与努塞尔数做了如下研究：

阴继翔等［4］应用数值方法研究了流体在二维正弦型和三角形两种波纹通道内周期性充分发展的流动与换热，结果表明与三角形波纹通道相比，正弦型波纹通道流动更容易失稳而较早向湍流过渡，因此正弦型通道表面的换热性能更优。

②阻力低及防堵性能卓越

板间距20~30mm左右，板片占据低温省煤器横截面积比例小，阻力较小。板片之间为直通道无触点设计，气流方向不作横向串流，不存在烟速死区，板片不易积灰，也不存在传统换热管背风面涡流问题。在合适的风速下，有很好的自清灰功能，直通道的特点也使得低负荷引起沉积灰分或ABS容易清理。基于实验，Mahmood Mastani Joybari等对介质雷诺数与摩擦因子作出结论，如图2、3所示：

图2管内雷诺数与摩擦因子的关系

图3管外雷诺数与摩擦因子的关系

Olga Arsenyeva等[5]就试验数据与关联式数据进行的对比做了很多工作，如图4所示：

图4试验数据与关联式计算数据比对

在低温省煤器结构固定的情况下，Re的增加意味着流速的增加，流体的流速越高，流体的热边界层厚度越薄，壁面热阻越小并且对流传热系数越高[6],宽通道板式低温省煤器比传统管式低温省煤器具有明显的低阻力特性。

③防磨损粉尘冲刷腐蚀速度一般与气速的三次方成正比。管式省煤器烟气流速一般为10~12m/s，板式省煤器由于能在较低的流速下产生比较强的湍流度，所以烟气流速可以降低，通常设计流速约为8~10m/s，则磨损速度降低至原来的约30%，板式省煤器迎风侧设置防磨板，起到整流和粉尘碰撞降能的作用，使得烟气和粉尘的流动，平行于气道，减少了冲刷腐蚀程度。

为达到更好的防磨效果，防磨段采用搪瓷涂层，保证表面硬度HRC55°以上（内部ND钢基材HRC25°）。通常含尘烟气中的金属磨损速率由烟气流速和含灰量决定，对于燃煤烟气，流速7~8m/s为磨损和积灰的分界，另外燃煤机组负荷负荷波动大，为兼顾防磨损和防积灰，设计烟气流速基本在8~10m/s左右。

④防磨损+防腐蚀

粉尘冲刷腐蚀速度一般与气速的三次方成正比。管式省煤器烟气流速一般为10~12m/s，板式省煤器由于能在较低的流速下产生比较强的湍流度，所以烟气流速可以降低，通常设计流速约为8~10m/s，则磨损速度降低至原来的约30%，板式省煤器迎风侧设置防磨板，起到整流和粉尘碰撞降能的作用，使得烟气和粉尘的流动，平行于气道，减少了冲刷腐蚀程度。 板式省煤器换热板管的迎风角基本接近0度，冲刷磨损基本可以忽略。  

A、板式省煤器烟气进口实心防磨板设计       为了保证设计合理的烟气流场和板管进口端的防磨性能，在低温省煤器的迎风面设置防磨段，、如下图所示：

低温省煤器迎风侧防磨段

B、防磨涂层的设计

为达到更好的防磨效果，防磨段采用搪瓷。表面搪瓷涂层特点（“四抗”）如下：

抗渗透：金属元素和助熔化合物间形成了化学键合和化学吸附，阻塞了渗透通道；

抗腐蚀： 耐蚀性金属元素的加入，化学键合与化学吸附作用形成稳定的结构，阻止水、氧及其它腐蚀介质的腐蚀；

抗结垢：由微粒子的填充作用表面光滑度很高，近壁流层薄不利于结垢形成憎水表面，排斥污垢粒子，使其不能粘附到涂层表面。

抗热震：通过数万次的热震性试验，搪瓷涂层和基材不分离。

1.2某电厂660MW机组增设低温省煤器及暖风器系统

1.2.1 设计条件

1）电除尘入口烟气条件

2）水媒暖风器基本参数：

1、空气气入口温度-15.1℃，出口温度出口20℃；

2、一次风暖风器空气量：236152 kg/h；

3、二次风暖风器空气量：931282 kg/h

4、进水温度110℃，进水压力2.2MPa，设计余量不小于10%。

1.2.2设计要求

除尘器进口前烟道新增4台低温省煤器，以及2台一次风暖风器、2台二次风暖风器。

1、烟气温度有150℃降低至120℃；

2、低温省煤器进口水温为80℃

1.2.3宽通道板式低温省煤器设计工况参数

1.2.4暖风器设计工况参数

1.2.4采用宽通道板式低温省煤器后实际运行参数

在系统负荷和误差范围内，实际运行效果满足设计工况要求。

2宽通道板式低温省煤器及暖风器系统说明

管路说明：

热媒水管路：

低温省煤器的热媒水进入暖风器（一、二次）、全焊接板式低温省煤器给凝结水供热（视具体工况而定），再回到低温省煤器进口。

凝结水管路：

凝结水供水分别从机组的#7低加进口凝结水主管路引出，接入凝结水低温省煤器，升温后，沿着主回水管道回到机组的#6低加出口。

3总结

新型高效宽通道板式低温省煤器通过创新的板型结构设计， 解决了火力热电厂管式低温省煤器换热效率低、磨损和腐蚀严重等问题；相对于传统形式低温省煤器，宽通道板式低温省煤器在火力发电厂的应用中有如下几个方面

1）结构形式方面，由传统的管式型式改成板式型式，传热系数高，换热效率优；

2）换热板片材质方面，换热板片采取耐低温腐蚀的ND钢材质配合搪瓷涂层，相比传统的20G或单纯的ND钢换热材质更加抗腐蚀，且耐磨性能更加优越，憎水性的光滑表面更加不易积灰堵塞；

3）系统工艺方面，低温省煤器联合暖风器系统，由传统的凝结水直接进入低温省煤器，高压运行变成通过全焊接板式低温省煤器中间换热，实现稳压及低压运行，系统运行更加安全可靠；

4）系统控制方面，低温省煤器与补水箱液位联动，低省泄露可以通过补水量及时发现；

5）运行及维护方面，板管级可在线隔断，实现快速且少量的隔绝，对系统运行影响更小。

总之，宽通道板式低温省煤器在火力发电厂的应用中，尤其在低温省煤器的运用上，更加节省机组发电煤耗，系统运行更加安全稳定，为节能减排做到很好的示范作用。

参考文献：

【1】 蒋东章.宽通道板式低温省煤器结构的智能优化设计［Ｄ］． 徐 州：中国矿业大学，2021.

JIANG D Z. Intelligent Optimization Design of Structure for Wide-channel Plate Heat Exchanger[D].Xuzhou: China University of Mining Technolpgy,2021.

【2】 陈超.宽通道板式低温省煤器和螺旋板式低温省煤器的比选及防腐蚀［Ｊ］． 石油化工腐蚀与防护，2023,40(6):15-18,22.

CHEN Chao. Comparison and anti-corrosion of wide channel plate heat exchanger and spiral plate heat exchanger[J].Corrosion & Protection in Petro-chemical Industry,20232,40(6):15-18,22.

【3】 Mahmood Mastani Joybaria,*, Håkon Selvnesb, Alexis Sevaultb, Armin Hafnera, Potentials and challenges for pillow-plate heat exchangers: State-of-the-art review

a:Department of Energy and Process Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Kolbjørn Hejes vei 1D, Trondheim 7491, Norway

b:SINTEF Energy Research, Postboks 4761 Torgarden, Trondheim 7465, Norway

【4】 阴继翔，李国君，丰镇平 ．两种波纹通道内周期性充分发展对 流 换 热 的 研 究 ［Ｊ］．热 能 动 力 工 程，２００５，２０ （３）：２５２－２５６．

YIN J X.LI G J.FENG Z P.Numerical study on periodically fully developed convection heat transfer in two kinds of wavy channels[J].J.ENG.Thermal Energy and Power.2005.20(3)：252-256

【5】 Olga Arsenyevaa,*,Mark Piperb,Alexander Zibartc, Alexander Olenbergb,

Eugeny Y.Kenigc.d .Investigation of heat transfer and hydraulic resistance in small-scale pillow-plate heat exchangers

a. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Department of Integrated Technologies, Processes and Apparatuses, Kharkiv, Ukraine

b. Technology Transfer and Entrepreneurship Centre of Paderborn University, Paderborn, Germany

c. Paderborn University, Chair of Fluid Process Engineering, Paderborn, Germany

d. Gubkin Russian State University of Oil and Gas, Moscow, Russian Federation

【6】 陶文铨 ．传 热 学［Ｍ］．２ 版 ．西 安：西 安 交 通 大 学 出 版 社，

２００１：２０９．

TAO W Q.Heat transfer[M].2nd ed.Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press.2001:209.