燃煤锅炉低温省煤器防腐抑垢在线监测系统开发

颜廷学 李 伟 邹明衡 吕昌旗

（1.华能洛阳热电有限责任公司，河南 洛阳 471000； 2东北电力大学，吉林 吉林 132000）

0 引言

我国是一个能源结构以燃煤为主的国家，随着国民经济建设的迅速发展，燃煤锅炉的使用量越来越大。目前我国在用工业锅炉约62万台，其中燃煤工业锅炉约占工业锅炉总数的80%以上。其年消耗标准煤约4亿t，约占全国煤炭消耗总量的1/4[1]。燃煤产生的大量污染烟气被直接排放到大气中，对环境形成了严重热污染，并且烟气产生的余热也被浪费。其中一个原因是由于烟气温度过低会产生露点腐蚀问题对设备造成损害，限制了燃煤锅炉的设计排烟温度[2]；另一个原因是设备在运行过程中，煤炭燃烧产生的烟气中含有大量的飞灰颗粒、黏性物质和酸性气体，会导致排烟温度升高、受热面腐蚀与结垢问题、引风机负荷大幅增加、经济成本上涨等对于生产不利的影响[3]。

在常见的防护手段中，高性能涂料作为1种最为经济有效的防护材料，在防腐耐蚀问题中广泛应用。而其中化学镀相比于电镀，具有成功率高、防腐耐蚀性能强、经济成本低、工艺流程较为简单、环保等优点[4]。化学镀（Electroless plating）也称无电解镀或者自催化镀（Auto-catalytic plating），是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的1种镀覆方法。许多研究[5]表明化学镀层由于具有良好的耐腐性、耐磨性，镀层厚度均匀，处理部件不受形状限制，处理后的部件表面光洁，镀层和基底不易脱落，可处理的基体材料广泛等优点，因此其广泛地应用于机械、电子、塑料、模具、冶金、石油化工、陶瓷、水力和航空航天等工业部门[6]。

有研究[7]提出了换热器在线系统的概念，开发了1种用于换热器的污垢评估的专家系统。为换热器的设计、除垢效果、安全性等提供评估参考。基于此，一些学者[8]建立了应用于换热器的在线监测系统及模型。

现有的换热表面评测手段较少且多为实验室模拟测试，不能真实准确地还原现场的实际工况，测试得到的数据难免与现场数据有一定的偏差，得出的结论无法很好地应用于现场环境。针对以上问题，该文介绍了1种评价换热表面性能的在线监测系统，用于评测不同换热表面的综合性能。最后讨论了不同换热表面材料的防腐抑垢效果，并对防腐抑垢低温省煤器的开发提出了建议。

1 实验装置及方法

1.1 烟气积灰腐蚀在线监测系统

烟气积灰腐蚀在线监测系统安装在华能洛阳热电2×350 mW超临界机组的2号机组中，系统结构图如图1所示。该系统布置在吸收塔与静电除尘器之间的烟气再热器附近，整个系统包括换热模块、循环水系统、数据采集系统以及数据处理系统。换热模块水平放置于烟道内部，由3排共9根换热基管构成，管排方式采用与实际换热管相同的错排布置，换热模块的进水口通过进水子管与进水母管连接，数据采集系统包括水温传感器、烟温传感器、流量计，分别测量换热管的进出口水温和烟气温度、循环水流量和烟气流量。传感器经数据传输线与数据记录仪连接，数据记录仪与负责数据处理的上位机连接。

1.2 换热表面分析方法

换热模块表面积灰与腐蚀会增加换热模块的换热热阻，降低总传热系数，从而增加消耗、减小利用效率。例如，当省煤器换热管束上存在几毫米厚的积灰时，总传热系数将降低25%。所以，利用传热系数与污垢热阻可以定量判断换热表面的积灰腐蚀情况，最后判断每种换热表面材料的性能。

根据热平衡原理，换热管的换热量与换热管内冷却水吸热量、烟气的放热量相等。换热管换热量如公式 （1）所示。

式中：Qe为换热管的换热量，kW。Qg为烟气侧换热量，kW。Qw为水侧换热量，kW。

烟气侧换热量计算如公式（2）所示。

式中：Cp，g为烟气的比热容，kJ/（kg·K）。ρg为烟气密度，kg/m3。v为烟气风速，m/s。s为迎风面积，m2。T1为烟气进口温度，℃。T2为烟气出口温度，℃。

水侧换热量如公式（3）所示。

式中：Cp，w为水的比热容，kJ/（kg·K）。ρw为水的密度，kg/m3。qw为水的体积流量，m3/s。t1为进水口温度，℃。t2为出水口温度，℃。

图1 烟气积灰腐蚀在线监测系统结构图

在总传热的计算系数中，传热能力Qave是基于烟气侧换热量Qg和水侧换热量Qw的平均值。传热能力Qave如公式（4）所示。

实验管的传热系数计算如公式（5）所示。

式中：A0为 总换热面积，m2。ΔTm为 对数平均温差，℃。

对数平均温差ΔT如公式（6）所示。

只需要测得烟气进口温度T1，烟气出口温度T2，进水口温度t1和出水口温度t2，可求出实验管积灰前和积灰后的传热系数K。

积灰热阻Rf如公式（9）所示。

式中：K0为 实验管积灰前传热系数，W/（m2·K）。K为实验管积灰后传热系数，W/（m2·K）。

使用传热系数变化率φ的弱化程度来描述污垢对传热性能的影响。

传热系数变化率φ如公式（10）所示。

联立公式（1）～公式（10）计算该状态下实验管传热系数和积灰热阻值。

1.3 实验运行过程

图2为烟道内换热模块排布实物图。此次实验共布置了5个换热测试模块，材料分别为Cr镀层、TiN镀层、Ni-P镀层、ND钢以及316L钢。换热模块之间并联连接，每个换热模块在烟道内均有独立进出水口以保证相同的工况。

循环水系统进水管道布置了流量计以测量水流量。图3为数据监测部分实物图，传感器经过数据传输线与数据记录装置通道直接连接，流量计采用RS-485通信，再由RS-485转USB接口与计算机连接，数据记录仪将传感器部分收集到的模拟信号转换成数字信号，并发送到上位机。上位机将温度与流量信息与计算完成的热阻信息在本机存储，并通过商用数据网络实现与远程服务器的连接，实现对上位机的数据读取、存储，以及对换热模块的运行状态的实时监测。

图2 换热模块排布图

2 数据结果与分析

图4为每个换热模块的传热系数监测结果与拟合结果。由于装置运行初期数据波动，数据点从1 440 min开始截取，即第一个24 h作为试运行阶段，第二个24 h作为数据正式采集阶段。从图中可以看出，测量的传热系数基本都呈下降趋势。个别换热模块的传热系数呈先下降再上升的趋势，原因可能是灰垢堆积过多后被烟气剥落。

计算各材料换热模块的传热系数拟合值的均值，316 L为57.96539 W·m-2·K-1；TiN为65.82503W·m-2·K-1；ND钢为47.64467 W·m-2·K-1；Ni-P镀层为86.31171 W·m-2·K-1；Cr镀层为80.4651 W·m-2·K-1。

传热系数值的排序为Ni-P镀层＞Cr镀层＞TiN镀层＞316L＞ND钢。以燃煤机组经常使用的ND钢作为基准，性能最好的Ni-P镀层传热系数提高了80.1%。

Cr镀层提高了68.9%；TiN镀层提高了38.2%；316L提高了21.7%。但是Cr镀层与TiN镀层工艺复杂、制备难度及成本较高。316L成本约为ND钢的2倍以上，但是性能却没有得到提高。综上所述，选用Ni-P镀层作为换热器表面材料为最优。

图3 数据监测部分实物图

3 结论

图4 换热系数监测结果图

由于低温腐蚀中包括磨损、积灰等多种问题，实验室不能充分地反映换热材料在实际工程应用环境中的性能情况的问题，该文提出了1种烟气积灰腐蚀在线监测系统，对5种不同表面材料的换热模块的性能进行了实验研究，主要得出以下3个结论：1）设计并安装了基于实际工况下的烟气积灰腐蚀在线监测系统，该系统与换热器实际运行环境相同，可用于评测换热表面传热和抗积灰腐蚀性能。2）对比Cr镀层、TiN镀层、Ni-P镀层、ND钢、316L钢的传热系数值，其顺序为Ni-P镀层＞Cr镀层＞TiN镀层＞316L＞ND钢。3）防积灰腐蚀性能最好为Ni-P镀层，最差为ND钢，其他镀层中Cr镀层工艺复杂且结合力较弱；TiN镀层工艺复杂、成本较高；316L成本较高，且性能仅较ND钢有优势。综上所述，换热器材料优选为工艺简单且经济性较好的Ni-P镀层。