引言燃煤电站对煤炭的消耗占全国煤炭使用总量50%以上，在燃煤电厂中，锅炉的热损失主要以排烟热损失为主，高效利用排烟余热对我国能源行业的节能减排具有重要意义。低温省煤器技术是目前国内最成熟、应用最广泛的烟气余热利用方式。该技术一般在锅炉空预器和除尘器之间的烟道中增加低温换热器，回收排烟余热加热凝结水，进而减少汽轮机排汽，提高机组热效率，降低机组煤耗，同时排烟温度的降低还能提高除尘效率，减小污染物排放。低温省煤器基本都采用与凝结水并联的方式，对整个凝结水系统及锅炉的影响较小，电厂更关注低温省煤器运行时的参数，而对低温省煤器的启动过程不够重视，本研究总结了低温省煤器启动过程中的常见问题并给出处理措施。1低温省煤器系统简介按低温省煤器的回水是否返回凝结水，低温省煤器系统可分为开式循环系统和闭式循环系统。开式循环系统如图1所示。系统取水包括两路：一路为8#低加入口的冷水；一路为7#低加出口的热水。两路水混合到设定的温度后，经过循环水泵升压送到低温省煤器入口，水吸收烟气的热量后，温度升高返回6#低加出口。烟气通过低温省煤器后温度降低，达到降低排烟温度的目的。开式循环系统简单，启动和运行中的稳定性高，但由于工作压力较高，对管道和设备的要求也相对较高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.018.F001图1开式循环低温省煤器系统闭式循环系统如图2所示。低温省煤器回水不进入凝结水，而是通过一个表面式换热器将热量传递给凝结水，温度降低后重新由循环水泵打入低温省煤器系统进行换热。8#低加入口凝结水不直接进入低温省煤器系统，而是先进入一个补水箱，补水箱靠重力压差将水注入低温省煤器系统。和开式循环系统相比，闭式循环系统的优点主要包括3个方面：10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.018.F002图2闭式循环低温省煤器系统（1）整个系统的工作压力下降，对管道和设备的要求下降；（2）由于设置了补水箱，能及时发现管道泄漏问题，提高系统的安全系数；（3）由于回水不用汇入凝结水，系统清洗时对水质的要求下降，启动时间缩短。2低温省煤器的启动过程一般低温省煤器的启动包括上水、清洗和投运等3个过程。按上水时排烟温度的高低，低温省煤器系统的上水可分为冷态上水、温态上水和热态上水。冷态上水为锅炉未启动情况下的上水；温态上水为锅炉已启动但排烟温度小于100 ℃时的上水；热态上水为排烟温度大于100 ℃时的上水。冷态和温态上水过程中没有水汽化、管道振动等问题，上水过程安全，上水速度快；热态上水由于排烟温度较高，水发生汽化，上水过程中可能产生管道振动等问题，且上水速度较慢，不容易判断水蒸气是否已排干净。上水完成后，低省系统开启循环水泵进行系统清洗。对于开式循环系统，由于水质不合格，回水不能直接进入凝结水系统，待水质合格后，打开回水控制阀汇入凝结水。对于闭式循环系统，回水不返回凝结水系统，水质合格后，直接关闭系统疏水和补水箱凝结水补水。3低温省煤器启动中的问题及优化由于低温省煤器系统简单，且对锅炉系统的影响较小，很多电厂都是在整个机组运行正常后才开始投运低省系统，此时排烟温度已经很高，加之电厂运行人员不够重视，导致启动初期出现管道振动、上水困难等问题。另一些电厂采用冷态上水的方式，虽然启动过程安全，却加重低温省煤器系统的积灰和低温腐蚀等问题，缩短低温省煤器的使用寿命。3.1系统上水问题（1）热态上水过程分析。热态上水时，开式循环的低温省煤器系统由于凝结水管道的压力较高，上水时水流量较大，水的汽化少，上水过程比较简单。而闭式循环系统由于上水速度受补水箱高度的限制，上水速度慢且汽化量大，上水过程困难。热态上水时，烟气温度的变化趋势如图3所示。水刚进入受热管道时，传热系数和温差均较大，排烟温度迅速降低，一段时间后温差和上水速度减小，换热量逐渐减小，排烟温度又开始升高。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.018.F003图3热态上水烟气温度变化趋势（2）管道蒸干现象。闭式循环系统采用热态上水时，如排烟温度较高，可能出现上水速度小于蒸发速度、管道被蒸干的风险。某电厂采用低温省煤器联合暖风器的闭式循环系统，低省开始上水时，排烟温度已达到115 ℃，为典型的热态上水。据电厂反应，采用补水箱上水时，水汽化量大，水始终无法注满。电厂实际运行数据如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.018.T001表1上水过程中各烟道最大温降烟道低省入口烟温低省出口烟温烟气温降A1199722B1081044C1081035D1189919℃利用烟气侧和工质侧的能量守恒，根据锅炉负荷、上水水温，估算单烟道烟气温降最大时对应的水的瞬时蒸发量为3 t/h。使用补水箱上水时，上水速度主要取决于水的静压差，由于主管道的直径比上水管道大，可近似认为上水过程为小管道向大水池的流动过程，静压差与上水速度的关系为：△H=K×Q2 (1)V=∫0TQdt (2)式中：△H——上水时水位和补水箱高度差，m；Q——上水过程中水的流量，m3/s；V——系统总的水容积，m3；t——系统上水时间，s；K——系统阻力常数。通过式(1)~式(2)可以看出，开始上水时水的流量最大，进入低省模块时水的流量最小。根据系统水容积和上水实际所用时间，联立式(1)~式(2)求得水在开始进入低省模块时的总流量为19 t/h，单个烟道上水速度为4.75 t/h，大于水的瞬时最大蒸发量。由于上水速度和最大蒸发量相差不大，如排烟温度升高，加上实际上水过程中各烟道烟气和水流量的不均衡，还可能出现局部管道被蒸干的情况。为避免出现这种情况，上水时可采取以下3种方法：（1）合理安排上水时间，适当降低排烟温度；（2）关闭其他烟道出入口手动阀，采取单个低省模块逐一上水的方法；（3）在补水箱入口增加一路旁路补水，利用凝结水的高压力进行上水。该电厂采用增加旁路的方法后，总上水速度增加到50 t/h，单个低省模块上水速度为12.5 t/h，系统很快完成上水工作。3.2管道振动某机组低省系统采用热态上水时，上水管道振动剧烈，为防止事故的发生，电厂只需将上水管路重新进行加固；当水进入低温省煤器模块的下部时，排气阀开始冒出大量水蒸气，低省模块局部有振动，并发出响声，当水蒸气排干净后振动消失。振动现象产生的本质为管道中的水击，按水击产生的原因，低温省煤器的振动可分为两种：水流速度突变引起的水击和水汽化产生的水击。第一种水击发生在系统刚开始上水时，此时管道内的压力为大气压，水的流速较快，当水碰到管壁和阀门时，速度突然减小，后面的流体由于惯性，未改变流速对前面的流体进行压缩，使其压强突增，流体逐层向上游传播，形成压缩波，引起上水管道振动。为减小振动，上水开始时控制上水速度，并且在上水前需检查主管道上的阀门，确保管道阀门都处于全开状态。第二种水击发生在水开始进入低温省煤器模块时，水遇到高温管壁迅速汽化，前期产生的水蒸气因受到继续前进的较低温度水的影响，部分重新凝结，产生水锤效应。由于热态上水时始终无法避免水蒸气的产生，所以水击现象始终存在。闭式系统由于水的汽化量较大，水击现象较开式系统严重，为减小水击，水刚进入低温省煤器时可以将排气阀全开，减小水汽化时压力的增加速度，水快要上满时再逐渐关小排气阀；适量增大上水速度后，由于水的汽化量减小，水击现象也有所减轻。3.3汽水阻塞闭式循环的低温省煤器系统由于运行压力较低，运行时可能出现汽水阻塞现象。某项目补水水箱位置为25 m，低温省煤器模块标高20 m，正常运行时循环水泵出口压力为0.3~0.4 MPa，则低省模块内的压力为0.1~0.2 MPa，对应水的饱和温度为120~135 ℃，运行中实际排烟温度130 ℃，低省入口水温度为80~90 ℃，低省回水温度约115 ℃，经常出现汽水阻塞现象，导致低温省煤器无法正常工作。汽水阻塞产生后，该电厂运行人员开始采用调小其他低省模块阀门憋压的方法解决问题，但由于系统的水温整体较高，管道内的水蒸气不容易完全凝结，随着循环又重新累积在低省模块处，再次形成汽水阻塞。若蒸汽量偏大汽水混合物对凝结水放热后没有足够的过冷度，在循环中还会对水泵造成汽蚀，影响泵的使用寿命，所以形成汽水阻塞时应及时打开排气阀将产生的水蒸气排出。为避免汽水阻塞，可采取增大低省模块压力和降低循环水温度的方法。在补水箱压力的承受范围内，关闭排气阀使水箱带有一定压力运行，运行中可以适当关小回水系统上的阀门，以提高低省模块处的压力，系统进行设计时，可以适当提高补水箱的高度，进而提高整个系统的压力。通过合理控制板式换热器的凝结水流量，控制循环水入口水温和出口水温在设计范围内。3.4受热面低温腐蚀燃煤锅炉的烟气中含有一定量的SO3，SO3与水蒸气反应生成H2SO4，当金属壁面温度低于烟气酸露点，容易产生低温腐蚀。为保证锅炉效率，电厂一般控制排烟温度小于烟气酸露点，故空气预热器末级和低温省煤器出现低温腐蚀现象，而低温省煤器作为锅炉最后一级受热面，受到的低温腐蚀最严重。腐蚀速度与金属壁温的关系如图4所示。为减小腐蚀速度，根据有限腐蚀理论，低温省煤器在运行中一般控制壁温在70 ℃以上（水露点以上20~30 ℃，图中Ⅱ区域所示）。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.12.018.F004图4烟气温度与腐蚀速度的关系对于大多数锅炉，锅炉点火运行初期，因负荷低、给水加热系统未投运等原因，锅炉排烟温度都较低，正常运行时烟气的水露点一般为40~50 ℃，由于投运初期使用柴油助燃，水露点上升约5~10 ℃，出现排烟温度小于水露点的现象。烟气经过低温省煤器时，大量水蒸气凝结在管壁上，并与烟气中的SO2结合，生成亚硫酸溶液（H2SO3）。虽然亚硫酸的酸性比硫酸弱，但由于烟气中的SO2含量远大于SO3，所以腐蚀速度急剧上升。严重腐蚀金属管壁，烟气中的HCl也会溶于水并对金属起腐蚀作用，加速腐蚀速率。为减少低温腐蚀，启动初期可投用硫含量较低的煤，并适当缩短启动时间。提高给水温度、投运暖风器都能提高锅炉排烟温度，对低温腐蚀具有一定的好处。为减小低温腐蚀，低温省煤器不宜采取冷态上水的方式。3.5积灰低温省煤器在运行中的积灰主要包括：（1）受热面壁温高于酸露点所形成的干松灰。适当提高烟气流速，合理布置烟道形式，可避免或减轻干松灰在受热面上的沉积；（2）受热面壁温低于酸露点温度所形成的低温黏结灰。该情况下硫酸蒸汽在受热面上凝结，并捕获烟气中的飞灰粒子，与飞灰中的CaO、Al2O3、Al2O3等碱性氧化物反应形成具有黏结性的硫酸盐。锅炉在启动和低负荷阶段，由于排烟温度可能低于烟气水露点，水蒸气在管壁凝结，腐蚀速率增加，故管壁上的低温黏结灰也相应增加。另外，由于水的黏度较强，干松灰在受热面上的沉积速度也急剧增强，严重时可能导致堵灰。为减小积灰，很多低温省煤器都增加吹灰装置，采用声波吹灰时，除减小低温腐蚀的措施外，还可以在前期投入吹灰，如采用蒸汽吹灰。为防止吹灰用蒸汽在管壁上凝结，启动前期不宜投入；正常运行时，低温省煤器出口排烟温度不能太低。4结语本研究总结低温省煤器启动过程中可能出现的一些问题，并针对各问题提出相应的优化措施。主要结论如下：（1）热态上水时，低温省煤器存在水汽量较大的问题，闭式循环的低温省煤器系统还可能出现水蒸气不容易排净及水无法注满的情况。增大上水速度可减少水的汽化量，避免管道水被蒸干。（2）低温省煤器在上水过程中可能出现管道振动的情况，通过合理控制排气阀的开度和上水速度可以减轻振动程度。（3）闭式循环低温省煤器系统启动初期都可能出现汽水阻塞的情况，适当提高换热模块压力、降低循环水温度可以有效避免汽水阻塞的发生。（4）冷态上水虽然过程简单、安全，但增大了低温省煤器的低温腐蚀和积灰情况，故为延长低温省煤器的使用寿命，不宜采用冷态上水的方式。