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输灰系统压缩空气换热器的应用情况
侯可中
(三河发电有限责任公司,河北三河065201)
摘要：文章简要介绍了冷干机、水冷型空气换热器、空-空冷却器的基本情况,比较了这3种换热器的优缺点,经过实践得出,水冷型空气换热器以其独特的优势成为今后输灰系统冷却压缩空气的首选设备。它的投运将为稳定和发展输灰系统、节能减排、减少运行维护工作、降低投资起到积极的促进作用。
关键词：冷干机;水冷型;空-空冷却器;节能减排;不锈钢换热管;闭冷水
中图分类号：TK284. 4 文献标识码：B 文章编号：1003-9171(2009)11-0039-04
0 引言
三河发电有限责任公司(下称三河发电厂)自从1999年12月份一、二期机组相继投产以来,共有6台输灰空压机投入运行,其中一期4台输灰空压机,二期2台输灰空压机,一期4台输灰空压机出口配备4台空-空冷却器,二期2台输灰空压机配备2台冷干机和2台水冷型空气冷却器。这3种压缩空气冷却装置构成了三河发电厂除灰冷却系统,分别对输灰系统压缩空气起到不同的冷却效果,它们在运行中充分表现了各自的特点和不足之处,为更好地优化输灰系统运行方式,改革创新、节能减排、拓展思路,提供有益的借鉴和帮助,将在下面对其分别给与论述。
1 设备情况
1·1 冷干机情况概述
1·1·1 结构
冷干机结构组成包括:制冷压缩机,水冷冷凝器,风冷冷凝器,干燥过滤器,气液混合器,分液器,汽化器,高低压开关、蒸发器总成,排水防堵过滤器,水质过滤器,自动排水器,前置预冷器(高温水冷型),前置预冷器(高温风冷型)。
1. 1. 2 工作原理
JRD系列冷冻式压缩空气干燥机是根据空气冷冻干燥原理,利用制冷设备使压缩空气冷却到一定的露点温度,析出相应所含的水分,并通过分离器进行气液分离,再由自动排水阀将水排出。从而达到冷冻除湿的目的。同时,压缩空气中3μ及以上的固体尘粒及微油量成分都被滤出,使气原品质达到清洁、干燥的要求。
1. 1. 3 工艺流程
JRD系列产品的工作分为空气系统和制冷系统两个部分。
空气系统:含有水分、油分的压缩空气进入气对气热交换器,使压缩空气预冷,降低压缩空气的温度,除去一部分水分,在进入气对制冷剂热交换器,使压缩空气冷却到2~10℃的露点温度。水分、油分及部分杂质在此被凝结,冷却后的气体和已凝结的水分、油分及部分杂质通过气液分离器被分离,然后水分、油分被自动排水阀排出,干燥后的压缩空气通过气对气热交换器升温后输出,从而有效防止了管路“出汗”现象的发生。制冷系统:低温液态制冷剂在气对制冷剂交换器吸收热量而蒸发成气态,气态制冷剂从交换器的制冷剂出口通过汽化器和吸气过滤器进入制冷压缩机吸气口,汽化器和吸气过滤器是为了防止液态制冷剂和杂质进入压缩机内而设置,压缩机将低温低压的制冷剂压缩成高温高压的气体,根据旁通阀的自动调节,有小部分气体直接进入气对制冷剂热交换器,而大部分气体则进入冷凝器冷凝并降温,从冷凝器出来的低温液态制冷剂通过贮液器及干燥过滤器进入膨胀阀。贮液器和冷凝器的作用是保证制冷剂在膨胀阀的入口处为纯净的液态。液态制冷剂经膨胀进入气对制冷剂热交换器,又在交换器中冷却压缩空气,从而又开始了新一轮的循环。
1. 1. 4 特点
(1)制冷压缩机采用美国泰康(TECUM-SEH)、比斯图(BRISTOL)、法国美优乐(MAN-NEURCP)等公司的高温型全封闭制冷压缩机,运转声音小,省电寿命长。
(2)制冷控制元件全部选用欧美著名公司产品。电器采用施奈德公司产品,性能可靠。
(3)欠负荷自动热补偿。
(4)换热器、蒸发器内的铜管选用高效铜管。
(5)采用浮球式或电磁定时排水器,且装有防堵装置,使自动排水器不会堵塞。
(6)设备结构设计合理,外形美观,动态显示工作参数,无基础安装。
1. 1. 5 操作程序
(1)打开空气开关,接通电源,此时面板上的电源指示灯POWER(红灯)亮。
(2)打开冷却水进出阀门。
(3)按下绿色按钮START,时间继电器工作,经过延时3 min后,接触器吸合,运转指示灯RUN(绿灯)亮,压缩机开始运转。
(4)检查压缩机运转是否正常,有无异常,冷媒高低压表指示是否正常。
(5)如一切正常之后,再开启空压机或进出气阀门向冷干机送气,并且关闭空气旁通阀,此时空气压力表会指示出空气出口压力。
(6)观察5~10 min后,经冷干机处理后空气可达到使用要求,而此时冷媒低压表在2~10Pa之间。
(7)打开自动排水器上球阀,让空气中的冷凝水流入排水器中,经它排出机外。
(8)关机时,应先关空气气源,再按红色STOP按钮将冷干机关闭,并切断电源。
1. 1. 6 系统布置方式
它主要由冷干机入口门、出口门、本体和旁路门组成。工作时输灰空压机所排出的压缩气体经冷干机入口门之后,进入冷干机本体进行冷却干燥,将输灰空压机出口190℃的热空气降至50℃,然后经出口门进入压缩空气储气罐,通过储气罐和空气分配管路进入3、4号锅炉输灰系统。
1. 2 立式空气换热器情况概述
(1)壳程参数:设计压力0. 6MPa,设计温度100℃,工作介质为冷却水,最高工作压力0. 5MPa,壳程耐压试验压力0. 8MPa。
(2)管程参数:设计压力0. 36 MPa,设计温度270℃,工作介质为空气,最高工作压力0. 3MPa,管程耐压试验压力0. 56MPa。
(3)结构形式:单层,换热面积63. 4 m2,内径1 000 mm,壁厚8 mm,总高2 555 mm。
(4)系统布置方式:如图1所示,它主要由冷却器入口门、冷却器入口温度计、出口门、出口温度计、旁路门、冷却器、冷干机旁路门和冷干机入口门组成。工作时输灰空压机出口190℃的热空气分成两路,一路经由冷却器冷却之后进入冷干机旁路,另一路经旁路门直接进入冷干机旁路,两路冷热空气汇合之后,热空气温度经调整之后由190℃降至100℃,然后经由冷干机旁路门进入压缩空气储气罐,通过储气罐和空气分配管路分别进入3、4号锅炉输灰系统,完成输灰任务。
(5)工作原理:它是利用冷、热流体对金属壁面所产生的对流换热和金属壁导热共同作用下,将热体空气的热量传递给冷却介质水,通过冷热流体内能的交换,实现空气温度降低、冷却介质水温度升高、输灰系统安全畅通的目的。
(6)工作特点:由于该换热器是用20号碳钢制作外壳、用不锈钢制作内部换热管、用铸钢制作出入口阀门和旁路阀门等,使该换热器突显了经久耐用、耐腐蚀、强度高,安全可靠,经济实用,空气温度可调的特点。缺点是冷却器内部冷却介质闭冷水一旦漏泄,将使空气湿度增大,输灰管路很可能发生堵灰问题。但是,由于冷却水管为不锈钢管,冷却器底部又设置了自动疏水装置,输灰温度又提高至100℃以上,所以渗漏的几率很小,即使发生少量渗漏也不会很快影响输灰系统,可以通过及时切换输灰空压机避免这种现象的发生。
1. 3 空-空冷却器情况概述
(1)结构组成:空-空冷却器主要由变频器、就地控制开关、电动机、冷却风扇、翅片型换热管、外壳、出入口管路等组成。
(2)工作原理:通过控制装置起动电机带动冷却风扇运行,冷却风扇所产生的横向气流交叉流过翅片型换热管,通过对流换热和导热将翅片型换热管内的高温压缩气流的热能传递给翅片型换热管外的低温空气流,通过空-空冷却器之后,输灰空压机排气温度由200℃降至80℃,降温之后的压缩空气输往1、2号锅炉输灰系统,完成输灰任务。
(3)工作特点:由翅片型换热钢管、钢板制作的外壳、钢制冷却风扇以及电动装置组成的空-空冷却器,其特点是系统简单、冷却效果较好,不会因为换热管渗漏而造成压缩空气湿度增大。缺点是翅片型换热管容易积灰,降低换热效果,增加检修作业强度;变频器和电机经常故障,导致相应的输灰空压机停运,失去备用作用;每台空-空冷却器设置2台3 kW电机,每年消耗电能52 560kW;空-空冷却器噪音很高,严重影响环保。
2 三种换热器的对比
2. 1 复杂程度对比
冷干机使用了制冷设备和电控装置等,使其制造工艺和结构很复杂(见图1);空-空冷却器使用了变频器和电动机等,使其结构较为复杂(见图2);水冷型空气冷却器既没有制冷设备,也没有电气设备,使其系统非常简单实用(见图3)。
2. 2 安全可靠性对比
冷干机和空-空冷却器都不能实现出口温度的调节,而水冷型空气冷却器系统却能够利用旁路门、冷却水门和入口门实现温度的手动调节,通过调节旁路门、冷却水门和入口门的开度实现出口空气温度的适度控制,调整出口温度100℃~150℃,使输灰系统不粘灰、不堵灰、运行可靠稳定;空-空冷却器出口压缩空气温度80℃,基本上保证了输灰系统的安全稳定运行,但也存在粘灰问题需要处理;冷干机出口空气温度50℃,由于温度较低,特别是在冬季寒冷季节里输灰管路内部更容易结露粘灰,久而久之,容易发生输灰管路堵灰问题,增加检修工作量和运行风险;立式空气换热器和空-空冷却器入口最高允许空气温度270℃,且经久耐用,冷干机入口最高允许温度只有80℃,且经常故障。
2. 3 经济性对比
2. 3. 1 初投资费用对比
每台冷干机初投资费用高达36万元,每台空-空冷却器初投资费用25万元,而每台水冷型空气冷却器初投资费用只有21. 5万元。
2. 3. 2 电能消耗对比
每台冷干机每年消耗电能227 760 kWh,每台空-空冷却器每年消耗电能52 560 kWh,而每台水冷型空气冷却器却不消耗电能。
2. 3. 3 检修维护费用对比
冷干机由于包含制冷压缩机等复杂工艺部件,科技含量较高,故障率较高,每台每年维护费用多达3万元,显著增加了检修人员的工作负担和工作风险。空-空冷却器所包含的翅片型换热管经常粘结灰尘和毛絮,影响通风和换热效果,需要经常清理,其所包含的变频器也经常故障,造成每台每年的维护费用1万元。水冷型空气换热器由于只有钢制外壳和内部不锈钢换热管等部件,工艺简单,科技含量较低,同时内部冷却水是经过化学处理的除盐水,几乎不会发生结垢和影响换热问题,故每年几乎不发生维护费用,成为免维护的设备。
2. 3. 4 运行维护对比
冷干机和空-空冷却器都需要运行人员经常检查监督维护,增加运行工作量和工作风险;立式空气换热器几乎不需要运行人员经常检查监督维护,减轻了运行人员的工作负担和工作风险。
2. 3. 5 故障率对比
每台冷干机平均每两个月故障1次,每台空空冷却器平均每季度故障1次,而每台水冷型空气冷却器每年几乎不发生故障。
3 三种冷却器的优缺点
3. 1 冷干机优缺点
(1)优点:能够及时将空气之中的水分分离出去,净化了空气,大大减少了空气之中的含水量,有效解决了输灰过程中容易发生的板结、粘结和蓬灰问题;用经过除盐的闭冷水作为冷却介质,基本上不存在结垢问题。
(2)缺点:系统工艺复杂,检修维护困难;入口允许空气温度只有80℃,远远低于输灰空压机出口压缩空气200℃的温度,直接导致输灰空压机出口压缩空气因温度超过其允许温度而经常故障;因系统工艺复杂、故障点多,造成检修维护工作量大,检修维护费用高;出口压缩空气温度只有50℃,特别是在寒冷的冬季,这种较低温度的输灰空气使烟气中分离出来的仍含有一定水分的飞灰,更容易在输灰管路、压力罐等处形成板结、粘结和蓬灰,需要检修处理;冷干机是一台耗能设备,每小时消耗电能26 kWh;每台冷干机初投资费用很高,达到36万元。
3. 2 空-空冷却器的优缺点
(1)优点:用室外空气冷却压缩空气,换热器即使存在轻微渗漏,也不影响压缩空气的质量;由于使用空气作为冷却介质,节省了更多的除盐闭冷水或更多的地下水;出口空气温度较高,达到80℃。
(2)缺点:翅片型换热钢管容易粘结灰尘和毛絮,严重影响换热效果,需要经常清理,增加很多维护工作量;所配置的变频器故障率也比较高,需要经常检修维护;出口空气温度虽然达到了80℃,但在输灰管路和压力罐等处也不同程度存在板结、粘结和蓬灰问题,检修中需要清理;空-空冷却器也是一台耗能设备,每小时消耗电能5kWh;每台空-空冷却器初投资费用比较高,达到25万元。冷却风扇噪音达到了80 dB,经过冷却器的冷却风温度已经达到50℃至60℃,噪音和热风污染了周围环境;没有除湿装置,压缩空气之中仍然存在固有水分,容易造成灰板结和粘结;对环境适应性差。
3. 3 水冷型空气换热器的优缺点
(1)优点:系统工艺简单,检修维护方便;换热效率高,闭冷水用量少,只有冷干机用水量的十分之一;出口空气温度可以通过冷却水门、入口空气门、出口空气门和旁路门的开度进行调节,保持出口空气温度100℃至150℃,从根本上解决了输灰管路和压力罐的板结、粘结和蓬灰问题;由于使用了不锈钢换热管,使该换热器经久耐用;由于使用除盐水作为闭冷水,解决了以往采用地下水作为冷却水所产生的严重结垢问题;没有使用耗能设备;设备坚固耐用,检修维护工作量很少,基本成为免维护设备;没有噪音,没有污染。
(2)缺点:没有除湿装置,压缩空气之中仍然存在固有水分,容易造成灰板结和粘结;用冷却水冷却压缩空气,一旦冷却水管渗漏,将严重影响压缩空气质量,形成严重的板结和堵灰问题。
4 针对上述关键问题所采取的对策
(1)冷干机入口与输灰空压机之间增设冷却器,将输灰空压机出口空气温度降至80℃以下,以彻底解决冷干机入口温度超温所产生的故障问题。
(2)在空-空冷却器入口安装一个较细密的网格,输灰空压机房门窗严密关闭,开启的窗户也用较细密的网格封堵,并定期清理网格,以减少翅片型换热钢管粘结灰尘和毛絮的速度,减少维护工作量。
(3)在水冷型空气换热器的底部安装自动输水器,在水冷型立式空气冷却器的出口管路上安装温度计,在输气管路上设置贮气罐,贮气罐底部仍然设置自动输水器,通过监视温度和采用两道自动输水装置,可以确保压缩空气的质量。
5 结论
通过上述3种换热器的分析和对比可以看出,水冷型空气冷却器之所以显示出超常的优点,主要是特别适应目前节能减排形势的需要,不设热控装置,不安装电气设备,在获得相同输灰效果的前提下采用了简化设计工艺流程、经久耐用、温度可调可控、特别适应环境、故障率极低的换热设备,极大地方便和减少了检修维护工作,非常有利于长期稳定的输灰运行工作。通过三河发电厂一期空-空冷却器运行9年来的实践证明,只要维持压缩空气温度在80℃以上,压缩空气不除湿,也能够保证除灰系统的安全稳定运行,三河发电厂二期应用水冷型空气换热器半年以来,出口空气温度保持在100℃以上,输灰系统从来没有发生板结和堵灰问题。因此,推广和应用非除湿的、出口空气温度保持在100℃以上的水冷型空气换热器是稳定输灰系统的需要,是今后输灰系统压缩空气选用换热设备的发展方向。
作者简介:侯可中(1958—),男,高级工程师,部门资深主管,神华国华公司燃料除灰专家,现从事燃料除灰专业技术管理工作。(本文编辑 季佳彬)
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