螺旋翅片管束在余热锅炉中应用分析

能源研究与信息

第22卷第3期Energy Research and Information Vol. 22 No. 3 2006 文章编号: 1008－8857（2006）03－0155－05

螺旋翅片管束在余热锅炉中应用分析

王朝华1, 刘聿拯2

（1. 上海锅炉厂有限公司, 上海 200245; 2. 上海理工大学动力工程学院, 上海 200093）　

摘要: 在分析余热锅炉受热面传热特点的基础上，指出螺旋翅片管束在余热锅炉中应用的

重要性。根据螺旋翅片管束的特点及其在常规电站锅炉中的应用情况，指出了螺旋翅片管束

在余热锅炉中应用需解决的问题。　

关键词: 余热锅炉; 螺旋鳍片管束; 应用　

中图分类号: TK172文献标识码:A

在能源结构发生急剧变化和调峰需求急剧增长的情况下，采用启动和变负荷特性优越的燃气－蒸汽联合循环发电已成为电力行业的发展趋势，它在我国电力工业中必将日益发挥重要的作用。而随着我国天然气资源的大规模开发利用、西气东输、近海天然气开发和液化天然气工程的进展，发展燃气－蒸汽联合循环发电已成为国家能源结构调整的重要组成部分，也为燃气－蒸汽联合循环发电在我国的发展创造了条件。

作为燃气－蒸汽联合循环电站的三大主要设备之一，余热锅炉处于燃气轮机和蒸汽轮机之间，是系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键所在，起着承上启下的作用。余热锅炉的结构、性能以及参数都极大地影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。余热锅炉与普通锅炉相比具有结构复杂、布置困难、热力工况变化频繁等特点，因此，在设计、制造、运行中都存在一些特殊的困难和要求。深入研究余热锅炉，实现系统的设计优化，可以为减少设备成本，提高系统性能，延长机组寿命提供依据。

1 余热锅炉受热面传热特点

联合循环余热锅炉的显著热力特点之一是“变温显热源”。加入联合循环系统的燃料化学能转化为热能被逐级利用；高温段通过燃气轮机转换为机械功（或电）输出；燃气轮机的排气显热在余热锅炉中被回收，产生蒸汽或热水，用于驱动汽轮机或用于其它加热设备。这样，联合循环余热锅炉的进口烟气温度较低，其烟气与受热面之间的传热以对流传热为主，而辐射传热常可忽略。提高烟气流速，可以提高烟气侧对流换热系数，强化换热，从而使换热面积有所减小，但将使烟气流过余热锅炉的阻力增大，燃气轮机的背压上升，导致整个机组的功率与效率下降。一般，燃气轮机背压每提高1%，机组的功率下降0.5%~0.8%左右。

收稿日期：2006－03－20

作者简介：王朝华（1964－），男（汉），高级工程师，wangzhh@。

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因此，为强化余热锅炉中烟气与工质之间的对流换热，同时，减小余热锅炉烟气侧的压损系数，在余热锅炉中大量采用各种型式的螺旋翅片管受热面。翅片管束的传热及阻力性能将影响余热锅炉和燃气轮机的运行性能。

2 螺旋翅片管束的特点

螺旋翅片管由基管和螺旋翅片组成。螺旋翅片管的制造工艺通常是把翅片材料绕在基管上，并采用高频焊接将两者焊为一体。因而，基管和螺旋翅片的接触热阻相对较小。

螺旋翅片管作为扩展表面的典型结构之一，具有以下特点：

（1）增加管外换热面积，提高传热效率

螺旋翅片管在光管外扩展了换热面积，故其对流换热面由扩展表面和光管表面两部分组成，在体积相同的情况下，其换热面积为光管的若干倍，因而显著地提高了管外侧的换热能力及换热器的传热效率。

（2）　结构紧凑

螺旋翅片管束增加了单位体积内换热面积，故与光管管束相比，在换热量相同的情况下，翅片管束的管排数相对较少，可减小换热器的体积，从而使结构紧凑，金属耗量减少。

（3）　强化传热条件

螺旋翅片管通过其外部曲线结构通道造成流动边界层分离并周期发展，减薄了边界层的厚度，并缩短层流边界层长度，这些都有助于破坏边界层的层流底层，从而起到强化传热的作用。

（4）　减小管外流体的流动阻力，节省运行费用

在翅片侧气体流速相同的情况下，每排螺旋翅片管束的阻力大于每排光管的阻力，但翅片管束较光管管束每排的换热面积的增加很多，在换热量相同的情况下，可减少管束的排数，使得受热面总阻力减小。同时，由于螺旋翅片管传热能力的大幅度提高，在保证换热能力的条件下，还可适当降低翅片侧流体速度，而流动阻力通常与速度的平方成正比，因而降低流体速度可减小受热面阻力，节省运行费用。

（5）　减轻受热面的磨损

在燃用固体燃料的锅炉中，含灰气流在流经受热面时，冲击和切削换热表面，会造成受热面的磨损，而磨损量与流体速度的三次方成正比。由于螺旋翅片管束传热能力的提高，可降低管外流体的速度，因而大大减轻了受热面的磨损；同时，螺旋翅片管的结构特点可使流经螺旋翅片管的流体在一定程度上形成有利于减轻磨损的流动工况，从而削弱因固体灰粒对受热面的冲击与切削而造成的磨损。

正是由于螺旋翅片管束的上述一系列优点，由它作为换热元件的换热设备具有结构紧凑、金属耗量低、运行费用省等好处，因此被广泛应用于锅炉省煤器、热管空气预热器、对流蒸发受热面以及冶金、化工行业的余热回收设备中。

3 螺旋翅片管束的应用

早在20世纪60年代国外就开始将螺旋翅片管应用于锅炉省煤器。60年代初，瑞士ABB 公司、美国CE公司先后设计了膜式省煤器和螺旋翅片管省煤器，由于单位长度的螺旋翅片的面积是膜式省煤器的两倍，可大大改善省煤器的布置和运行状况，因此被广泛采用。到70年代

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中期，美国佐治亚电力公司鲍温电厂3、4号机组及纳瓦霍电厂的三台锅炉采用了错列布置的螺旋翅片管省煤器[1]。

日本三菱公司在300 MW~700 MW机组锅炉中普遍应用螺旋翅片管省煤器，以使锅炉尾部更加紧凑，节省金属，降低成本，如我国宝钢自备电厂、华能大连电厂、黄台电厂等进口日本三菱公司的锅炉，其省煤器均采用螺旋翅片管束。

近年来，多家锅炉厂和电厂应用螺旋翅片管改造光管省煤器取得了较好的效果[2~9]，不仅降低了锅炉排烟温度，提高了锅炉效率，而且解决了省煤器的磨损问题。如：谏壁电厂与有关单位合作将8号锅炉（上海锅炉厂生产的1 000 t?h-1直流炉）原光管省煤器改为错列布置的螺旋翅片管省煤器。改造后螺旋翅片管省煤器运行良好，排烟温度降低了20℃左右[2~3]；吉林热电厂[4]15号炉将光管省煤器改造为螺旋翅片管省煤器，不仅解决了磨损问题，而且使锅炉排烟温度降低；朝阳发电厂[5]2号炉将上级光管省煤器改为螺旋翅片管省煤器后，翅片管省煤器既能防止飞灰磨损，又降低锅炉排烟温度；山西永济热电厂[6]3号~5号三台锅炉将低温省煤器改造成翅片管省煤器，有效地解决了其磨损问题；金竹山电厂[7]4号炉将原光管低温再热器改为螺旋翅片管低温再热器，既减轻了磨损，同时在保证低温再热器吸热量的前提下，又能增大低温再热器的检修空间，便于防磨防爆检查与检修；鲤鱼江电厂7号炉[8]将省煤器改造为螺旋翅片管后，烟速下降为6.63 m?s-1，有效地减轻了磨损，而且综合经济效益显著。清河电厂[9] 1号炉将下级省煤器由光管改为螺旋翅片管后，达到了降低烟速、减轻省煤器磨损的目的。

螺旋翅片管束不但广泛应用于常规电站锅炉省煤器，而且在余热锅炉上也得到成功的应用。如深圳南山热电公司[10]对PG9171E燃机余热锅炉的翅片管束受热面进行了改造，结果表明经改造后的翅片管束具有重量轻、尺寸小、成本低等特点。对于大型燃机联合循环余热锅炉[11]中所采用的翅片管束，小管径的优点较多。运行结果表明，小管径的翅片管束具有传热性能好，管内工质流动阻力小，启动性能好，烟气阻力小等特点。

4 螺旋翅片管束在余热锅炉中应用需解决的问题

锅炉的热力计算是锅炉性能设计的重要内容。热力计算的准确性即受热面的数量，是保证余热锅炉出力、参数、热效率及成本的根本。不同型式的翅片管束（如螺旋翅片、H形或碟形翅片等）虽然已在常规电站锅炉、循环流化床锅炉和冶金、化工、建材等行业的余热锅炉中也有着广阔的应用，但是，在其设计过程中，主要采用国外引进或前苏联的标准计算方法，并借助设计人员的长期设计经验或对于一定结构的翅片管束的模化试验结果。目前，国内尚无成熟、规范的各种翅片管束标准计算方法。对于联合循环余热锅炉螺旋翅片管束的传热计算也是如此。

在国外引进或前苏联的标准计算方法中，虽有关于螺旋翅片管束的传热及阻力计算方法，但具体应用上有局限性：一方面是结构参数上，如管束间距、翅片规格等；另一方面是未能充分反映燃气轮机排气的污染特性对传热计算的影响。此外，螺旋翅片管束的传热特性尚与翅片的焊接方法及焊着率有关，而国内外的翅片管焊接工艺不可避免地存在着一定的差异。上述因素限制了锅炉制造厂在联合循环余热锅炉及其它余热锅炉的翅片管受热面设计中对于翅片管和受热面结构与布置的进一步优化以及翅片管束的国产化，一定程度上影响了余热锅炉的性能与成本。