燃气工业锅炉冷凝式节能器的选型讨论
赵海生 舒光太
（德阳市特种设备监督检验所 四川 德阳 618000）
【摘要】 阐述燃气锅炉用全冷凝管壳式、热管式、组合式节能器的自身结构特点，并通过对此三种节能器运行特点进行论述，简单对比三种节能器结构性能优缺点以及适用条件，为节能器的设计选型提供参考。
【关键词】 节能器；承压；循环；选型；
1.问题的提出
目前，节能减排的观念已经深入人心，企业降耗增效的需求也愈加突出。节能器在燃气工业锅炉中的应用已很普遍。笔者在锅炉检验与能效测试工作中发现，对相似锅炉进行节能改造时，不同企业选用的节能器型式不尽相同，管路的连接安装也有不一样。相似锅炉中随本体一起出厂的节能器也因设计单位不同而型式不同。造成使用单位对于节能器的选型标准较模糊，往往不能合理地选择一款最适合自己单位工况的节能器。本文简要对比介绍几种常见燃气工业锅炉节能器的结构型式以及连接安装方式，供设计单位和使用单位参考，以期合理选型，并根据使用单位自身工艺特点来实现更好地节能降耗。
2.节能器结构特点对比
节能器根据其传热传质方式可分为间壁式和直接接触式；间壁式按照结构可分为管壳式、热管式和板式等，其中板式一般不直接设计成“烟气-水”节能器，而是与直接接触式节能器配套
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使用（以下简称“组合式”）；现简单对比全冷凝管壳式、热管式、组合式三种节能器的自身结构与运行特点。
2.1管壳式特点及选用参考：
管壳式结构简单，系统简单，故障率极低，寿命长，实际使用中基本不需维修，即使发生穿管泄漏，也可短时间内恢复工作能力。正常运行时烟气与水传热不传质，烟气侧、水侧流动阻力小，不需更换风机，不需升压泵。管壳式的传热性能主要受传热温差及结构尺寸限制。随着设计排烟温度的降低，所需受热面金属耗量急剧增加，
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经济性急剧下降。但加装鳍片后，传热能力大幅提高，并且温度控制能力较稳定。近年来，许多大型火力发电机组进行尾部节能改造时，就是采用加装H型鳍片节能器的方式（图1）。管壳式节能器初次投入与维护费用很小，很适合希望控制资金投入的用户。管壳式水侧与烟侧结构都比较简单，轻度的结垢和短时间停机产生的金属表面腐蚀都不会对传热产生明显影响，因此适合经常不定期停机的用户。管壳式的低故障率与可快速修复特点适合希望减少检修次数与缩短检修时间的用户，尤其适合于需要连续运行的机组。 2.2热管式特点及选用参考：：
热管式是利用密封管件内饱和液相变传热，其热传导导热系数可达7600W/（m·K）。【3】
因此热响应迅速。热管的热段与冷段可以调整长度，进而改变放/吸热量比，具有很好的温度调控能力。热管式烟气侧阻力与管壳式相当，水侧阻力比管壳式还要小。正常运行时烟气与
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水传热不传质。燃气锅炉几乎无磨损。若用户使用的冷凝介质自身温度波动较大，适合选
用可调热管节能器，将排烟温度维持在设定范围，不至于因波动造成能源浪费。如果用户对经过节能器之后的烟气或水的温度控制要求很严苛，热管式的快速热响应能力能够很好地配合温控系统来实现快速、准确调温。如果锅炉尾气温度与使用的冷凝介质之间温度差很小，使用管壳式难以有效换热，热管式可以弥补此不足。但是露点(50℃~60℃)以下的常温换热热管带来的经济效益较小，回收成本的时间较长，此时用户应考虑设备的经济性降低。实际制造中，由于烟道与水的间壁面一般为矩形，故水侧水箱也大多设计成矩形，此矩形水箱一般不能承压，需要节能器能够承压运行的用户就不适合选用了。 2.3组合式特点及选用参考：：
组合式中的直接接触式烟气-水换热器是冷热工质直接热传导换热，传热系数高。使用低于露点温度的冷却水可以快速地将
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烟气降温至露点甚至以下。组合式中的板式换热器的金属薄壁热阻也较管壳式小，其
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传热系数可达3500-5500W/（m·K）。由于冷却水会携带烟气中的酸性气体以及炭黑等，填料层与板换的热水通道都可能发生堵塞，因此需要设置水过滤器或水处理器。当用户对循环水水质要求很低甚至无要求时，单独选用直接接触式就可以非常好地达
到换热目的，并且没有换热面金属腐蚀的问题。若用户对节能器输出的热水有较高的水质要求，就不能够单独选择直接接触式。当组合式的系统阻力过大，需要增加风机功率和升压泵时，用户需要考虑的就不止是针对堵塞的检修耗时给生产生活带来的影响了，还需考虑升压泵、水过滤器的占地以及较高的初投入。
3.节能器安装方式的比较
3.1承压与不承压
管壳式节能器最适合承压安装；热管式节能器大多不能承压；组合式节能器的喷淋塔不承压，但其中的板式换热器可以承压安装（图4）。
承压安装方式的管壳式、板换式节能器系统简单，正常运行时，水从水箱经节能器直接进入锅炉，无需循环保温水箱。利用蒸汽流量信号与锅炉水位信号共同控制变频水泵的供水量。系统只需设置一组水泵。当锅炉出力稳定在热用户的需求量时，变频水泵的给水流量也固定，排烟温度也随之固定。如果此时排烟温度高于设计目标值，就无法通过增大水泵流量来降低排烟温度了。因此旧锅炉在进行加装承压节能器改造时，必须要根据锅炉准确的原实际运行参数来进行节能器设计，才可能达到较好的节能效果，只是粗略地按照经验参数来选用节能器是行不通的。在新锅炉系统设计时，不仅要根据锅炉预计投入使用的工艺环境来设计，还要根据已投用系统的使用情况校正设计参数，避免造成排烟温度高却无法调节的后果。
当采用不承压方式安装时，由于节能器与锅炉内存在较大压差，给锅炉上水必须通过保温水箱过
渡（图5）。利用排烟温度信号控制冷水循环泵的流量。如果保温水箱中水位过高，就让多余的水流回到软水箱里，或因地制宜另作它用。
一般燃气锅炉本体排烟温度在200℃左右，节能器不承压运行时，出口水温可能达到气化温度，导致节能器汽塞，循环困难，甚至局部超压爆裂，存在安全隐患。若温度持续过高还会导致保温水箱内发生汽化，水从烟气吸收来的热焓变成气化潜热损失掉了，节能效率降低。若在锅炉本体出口先设置若干组承压运行的节能器，上装安全阀，可避免汽化，提高系统热效率，也更加安全可靠（图6）。2014年至今，德阳市在用燃气工业锅炉中有55台进行了在用工业锅炉能效测试，全部安装有节能器，实测平均热效率为91.23%，其中按照图6方式安装的有9台，这9台锅炉的平均实测热效率为94.55%，高出地区平均水平3.32%。 3.2混合循环与逐级循环
一些锅炉虽然配备了全冷凝式节能器，但锅炉热效率始终无法到达设计目标值。经分析，除了节能器受热面不足、受热面积灰积水影响传热等常见原因外，这些锅炉的水循环方式有以下混合循环的特点：
a) 将冷水（约20℃）与经各级节能器加热后的热水（约60℃~85℃）注进同一个水箱。 b) 将冷水与温度较高的系统回水注入同一个水箱。
c) 同一个保温水箱内的水同时供给多级节能器的进水。 d) 同一个保温水箱内的水同时供给节能器和锅炉本体。 在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度梯度方向相反。根据傅里叶定律的这段文字表述，可以很容易发现以上a)、b)两种混合循环对于节能器传热的影响：不同温度的水混合后，提高了末级节能器的进水温度，降低了末级节能器金属壁面的温度变化率，使单位时间内传经节能器金属壁的热量减少，排烟温度升高。如果烟温高于露点温度太多，那么全冷凝式节能器就形同虚设。以上c)、d)两种混合循环对于节能器传热的影响与此类似。这样的循环浪费了受热面成本，最终导致了锅炉热效率的降低，是十分不可取的。
与混合循环相对应的逐级循环见图6：保温水箱2→节能器→保温水箱1→节能器（承压），更多级节能器则以此类推。这样循环的核心是系统中温度最低的冷水应当进入最末级节能器，以保证最大的末级传热端差，把好热损失的最后一关。逆烟气方向的其余各级节能器进出水方式以此类推。被加热的高温冷却水原则上不再回到低温水箱中，而是单独注入一个保温水箱。如果系统有回水，只需根据回水温度将其注入温度最相近的水箱内即可。如果有热力除氧器，需要根据各级节能器进出口水温来布置，可以先将冷水经若干级节能器加热后再进入除氧器除氧，而除氧水注入温度最相近的水箱（或进锅炉）即可。
4.结束语
综上，不同节能器具有不同的适用工况。节能器用户需要根据节能器系统占地面积、设备初投资和运行维护预算、锅炉的停机规律和停机时间要求、冷凝介质的温度波动情况以及与烟气温差大小、用户对节能器输出介质的热力参数及品质要求等多方面来综合选择适合自己的节能器。一般情况下，节能器不承压运行、采取逐级循环时，比承压运行、混合循环更具有节能正效应。
参考文献：
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