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相變換熱器節能技術在燃煤鍋爐上的應用
張香轉
(河南油田五一社區服務中心供熱服務站,南陽473132)
摘 要：闡述了相變換熱器的原理,并通過在燃煤鍋爐上的實際應用,對比了使用相變換熱器前后燃煤鍋爐的排煙溫度和出力,以實際數據論證了相變換熱器的節能效果。
關鍵詞：相變換熱器;排煙溫度;鍋爐出力;節能
中圖分類號：TK224. 1+2 文獻標識碼：B
文章編號：1004-8774(2010)05-35-04
0 前言
鍋爐燃燒過程中最大的熱損失是排煙熱損失,影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度,因此如何有效地降低鍋爐排煙溫度,提高鍋爐熱效率,成了鍋爐企業和用戶追求的目標。復合相變換熱器在大幅度降低排煙溫度的前提下能有效地防止低溫腐蝕,從而為鍋爐節能技術開辟了一條廣闊的途徑。
1 復合相變換熱器基本原理及特性
和一般熱管換熱器以及其他節能技術不同,復合相變換熱器技術的核心在于“復合”和“相變”,即通過“相變換熱器”的設置,并利用不同“強化傳熱技術”與不同“控制技術”的合理配置,借助于優化設計,改變包括熱管技術在內的一般換熱器壁面溫度分布的“函數”特征,在始終保證金屬壁面溫度處于酸露點以上以避免出現低溫結露和腐蝕的同時,為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能。
復合相變換熱器中的“相變段”是整個技術得以實施的核心部件之一,它將原熱管換熱器中相互獨立的部分,通過優化設計構造成一個相互關聯的整體,充分利用氣(化)液(化)間“兩相同向流動”、“汽液相變換熱”、“工質自然循環”,將氣化與液化交替進行,以2 243 kJ/kg的熱容量進行高效傳熱。在換熱平均溫差20℃時,與傳統的煙氣橫向沖刷列管換熱的氣氣換熱器的20 kJ/kg、20℃換熱能力相比,二者具有102以上數量級的傳熱量差別。
復合相變換熱器是在多根并聯的密閉管排束構件內利用軟化水相變潛熱傳遞熱量,在熱管下端面加熱,水吸收熱量汽化為飽和蒸汽,在一定的壓差下上升到熱管上端面,向外界放出熱量,并凝結成液體,飽和水經汽水分離器回到受熱段,并再次汽化,往復循環,完成了把熱量從高端傳向低端的單向導熱。
復合相變換熱器多根并聯的密閉管排束構件上的金屬壁面整體溫度分布均勻,與煙氣溫度保持“較小梯度溫降(溫差10~20℃)”,并具備“獨立于被加熱工質溫度”的特殊功能。
復合相變換熱器通過“相變段”換熱流量的調節,實現對整個設備可能出現的不同最低壁面溫度的閉環控制,保證面對燃料種類如煤質等變動引發酸露點變化后,對壁溫同步可控可調。在保證設備安全運行的前提下,實現最大幅度回收煙氣余熱的節能目標。圖1為相變換熱器的控制系統流程圖。
2 相變換熱器安全有效運行的關鍵調試
2. 1 注水及排氣
(1)注水可以在鍋爐運行狀態進行,也可以在停爐狀態進行。注水操作直接影響相變換熱器的安全、經濟運行,須嚴格按照說明進行操作。
圖2為相變換熱器結構示意圖,在有注水量計量的場合,注水操作如下:汽包注水前記下水表數值;打開相變下段的排污閥待放干水后,關閉排污閥,關閉放氣球閥1,打開針形閥、注水球閥2,開始注水;注水時密切注視水表指示的水量:汽包注水量達481 kg時,停止注水(即關閉注水球閥2),同時立即打開放氣球閥1;若注水量超過565 kg,則應打開相變下段的排污閥待放干水后,重新注水。
(2)排氣在關閉汽包的注水球閥2,停止注水后進行。首先依次打開針形閥和放氣球閥1,待相變下段受熱產生蒸汽,可見放氣球閥1有氣體排出,即開始排氣。排氣持續1小時左右。先關閉針形閥,檢查針形閥的嚴密性,同時觀察注水球閥是否嚴密,不得有水跡;然后關閉氣球閥1,排氣結束。排氣過程中應適時適量開大相變換熱器熱網回水系統的出水閥(進水閥),以排氣口不產生負壓、壁溫顯示儀顯示溫度在105~115℃為宜。排氣過程中,注意控制壁溫顯示儀顯示溫度不得超過120℃。
2. 2 調節相變段壁面溫度和排煙溫度
排氣結束后,切換調節閥控制儀表為自動狀態,調節閥自動調整相變換熱器汽包的進水量,此后顯示壁溫值圍繞105℃上下波動。此時,排煙溫度約為120℃,設備進入正常運行狀況。
2. 3 注意事項
(1)排氣時操作人員應避開排氣口,以免燙傷。
(2)正常運行中,無論何時相變段壁面溫度顯示儀顯示溫度值都不得低于100℃,或高于120℃。
(3)在鍋爐運行時,進入換熱器的供熱回水流量不允許中斷。
3 相變換熱器安裝前后排煙溫度對比分析
2009~2010年供暖期鍋爐平均排煙溫度與2008~2009年供暖期鍋爐平均排煙溫度對比。復合相變換熱器在大幅度降低排煙溫度的前提下能有效地防止低溫腐蝕,以下介紹使用相變換熱器前后鍋爐排煙溫度的變化。
以五一社區供熱站黃山供熱隊為例,統計兩個供暖期的鍋爐平均排煙溫度。需要說明的是2008~2009年供暖期沒有安裝相變換熱器, 2009~2010年供暖期鍋爐上安裝使用相變換熱器,數據來自兩個供暖期黃山供熱隊5臺鍋爐運行報表(如表1、圖3)。
由表1和圖3可以清楚看出,使用相變換熱器后排煙溫度最大可降低86. 7℃,最小也可降低59·9℃。
相變換熱器的下段,放熱物質是煙氣,吸熱物質是作為傳熱媒介的水,相變里的水是密閉的,相變下段的水從煙氣里吸收熱量,水吸收熱量汽化為飽和蒸汽,在一定的壓差下上升到熱管上端面,向外界放出熱量,并凝結成液體,飽和水經汽水分離器回到受熱段,并再次汽化,往復循環,完成了把熱量從高端傳向低端的單向導熱。
4 使用相變換熱器前后鍋爐出力大小與鍋爐出力分布對比
4. 1 鍋爐出力與分布數據統計篩選計算為了清楚地論證安裝相變換熱器前后鍋爐出力的大小與分布的變化,對2009~2010年供暖期和2008~2009年兩個供暖期的鍋爐運行數據進行統計篩選計算,如表2和表3。
4. 2 使用相變換熱器前后鍋爐出力對比
鍋爐出力=熱水鍋爐循環水量×(鍋爐出水焓-鍋爐進水焓)
使用加權平均法,算出兩個供暖期鍋爐的平均出力,計算結果如表4。
從表4、圖4中可以看出,安裝相變換熱器后,鍋爐的平均出力有較大幅度提高,鍋爐的熱負荷同比增加,經測試鍋爐熱效率提高5個百分點,有效解決了燃煤鍋爐熱效率低的問題,標志著供暖鍋爐燃燒技術又上了一個新臺階。
4. 3 鍋爐出力大小分布狀態
我單位供熱站共有5臺20 t/h DZL 14—1. 0/95/70—AIII燃煤鍋爐,現已經全部安裝相變換熱器,并運行了一個供暖期,節能效果十分顯著?，F對兩個供暖期鍋爐出力數據進行篩選,篩選條件為出力<8. 4MW, 8. 4MW≤出力≤9. 8MW, 9. 8MW<出力≤11. 2MW,出力>11. 2MW,由表2和表3數據得圖5、圖6。
從圖5、圖6可以看出,同樣都是2#爐,供暖鍋爐未安裝相變換熱器時,鍋爐出力小于8. 4MW的占78. 6%,而安裝相變換熱器后,鍋爐出力小于8. 4MW的占5. 3%;供暖鍋爐未安裝相變換熱器時,鍋爐出力范圍為9. 8 MW <出力≤11. 2 MW的僅占4%,而安裝相變換熱器后,鍋爐出力范圍9. 8 MW<出力≤11. 2MW的占34. 6%;供暖鍋爐未安裝相變換熱器后,鍋爐出力范圍為>11. 2 MW的占0·2%,而安裝相變換熱器后,鍋爐出力范圍為>11·2的占39. 3%。說明安裝相變換熱器后鍋爐出力有大幅提高。
5 經濟效益分析
由局監測中心實測相變的流量為10 m3/h,相變的進口平均溫度為43. 63℃,相變的出口平均溫度為84. 77℃,一臺鍋爐相變每小時吸收煙氣的熱量為:
6 結束語
相變換熱器能夠在鍋爐的設計和改造中,大幅度降低煙氣的排放溫度,使大量中低溫熱能被有效回收,產生十分可觀的經濟效益;在降低排煙溫度的同時,保持金屬受熱面壁面溫度處于較高的溫度水平,遠離酸露點的腐蝕區域,從根本上避免了結露腐蝕和由此發生的堵灰,大幅度降低設備的維護成本;保證換熱器金屬受熱面最低壁面溫度處于可控可調狀態,使復合相變換熱器具有相當幅度的調節能力,使排煙溫度和壁面溫度保持相對穩定,并能適應鍋爐的燃料品種以及負荷的變化;在保留熱管換熱器具有高效傳熱特性的同時,通過適時排放不凝氣體,有效解決相變換熱器可能出現的老化問題,大大延長設備的使用壽命。
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