中源科扬复合相变换热器在电力大机组的应用Word下载.docx
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一、研发背景
我国作为一个人口和发展中的大国，近年来能源的消费量剧增，随着经济的高速发展，各项建设取得了巨大的成就，但也付出了很大的资源和环境代价。
针对日益快速增长的能源消耗和日趋严峻的环保压力，国务院审时度势修订了能源政策，强调“能源开发与节能并举，把节能放在首位”，号召国民在能源消耗利用上实行“节能减排”，并制定了“节能减排”约束性指标，推动能源资源节约型和环境友好型社会建设。
”我国工业锅炉能源资源浪费情况十分严重，节能潜力很大。
因此，做好锅炉的安全经济运行，使锅炉设备在最优状态下工作，对于促进“节能减排”具有十分重要的意义。
温家宝总理在《政府工作报告》中指出，“要把节能降耗、保护环境和节约集约用地作为转变经济增长方式的突破口和重要抓手。
”
我们节能的潜力在哪里，潜力有多大呢？
与国外比一比能源利用效率，就知道我们节能的潜力是多么巨大。
中国的一次能源结构以煤为主。
2005年中国的一次能源生产量为20.61亿吨标准煤，其中原煤所占的比重高达76.4%；
2005年中国一次能源消费量为22.33亿吨标准煤，其中煤炭所占的比重为68.9%，石油为21.0%，天然气、水电、核电、风能、太阳能等所占比重为10.1%，而在同年全球一次能源消费构成中，煤炭只占27.8%，石油36.4%，天然气、水电、核电等占35.8%。
由于煤炭消费比重较大，造成中国能源消费的二氧化碳排放强度也相对较高。
中国是世界上少数几个以煤为主的国家。
与石油、天然气等燃料相比，单位热量燃煤引起的二氧化碳排放比使用石油、天然气分别高出约36%和61%。
据有关机构研究，2000年按现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为1274吨标准煤，比世界平均水平高2.4倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍和0.43倍。
比较主要耗能设备能源效率。
2000年，我国燃煤工业锅炉平均运行效率65%左右，比国际先进水平低15至20个百分点。
先进技术的严重缺乏与落后工艺技术的大量并存，使中国的能源效率比国际先进水平约低10个百分点，高耗能产品单位能耗比国际先进水平高出40%左右。
如火电机组平均效率33.8%，比国际先进水平低6至7个百分点。
通过对比可以看出，我国能源利用效率与国外相比存在较大差距，有巨大的节能潜力。
能源消耗水平是一个国家经济结构、增长方式、科技水平、管理能力、消费模式以及国民素质的综合反映。
因此，除了调整经济结构以外，寻找真正具有大幅度节能潜力的先进节能技术成为当务之急。
为了适应国家可持续发展战略，依靠具有自主知识产权的高科技节能环保产品创造效益、发展企业和保护环境、造福社会，实现国家节能减排的发展战略，上海交通大学杨本洛教授发明并已通过国家级鉴定的产学研工程——复合相变换热器（FXH）技术与装置，为锅炉余热的充分利用提供了一个新的较大空间。
现代锅炉作为世界上主要耗能设备有近二百年发展史，人们通常认为其热效率已达至极限。
然而，长期以来，由于锅炉能源──煤、石油、天然气均为含硫燃料，燃烧时都会产生二氧化硫，与水蒸气结合形成硫酸蒸汽，当锅炉换热器的金属壁面温度低于硫酸蒸汽的凝结点（称为酸露点）时，就会在其表面形成液态硫酸（称为结露）。
为解决换热器尾部受热面由于结露引起的腐蚀，导致世界上各种锅炉设计时，不得不通过提高排烟温度来缓解（而不是根除）结露现象的产生。
而单纯提高排烟温度势必造成大量无法回收的能源浪费。
尽管如此，换热器往往运行一至两年后依然出现腐蚀，直至穿孔。
这是困扰世界锅炉界的一个难题。
为切实解决这一世界性难题，有效提高锅炉热效率，上海交通大学杨本洛教授凭借深厚的数理科学基础，运用“热力学、传热学、高等数学与锅炉原理、自动控制及现代计算技术”多学科基础理论的综合创新和高效集成，在世界上首创发明了复合相变换热器（简称FXH）专利技术，通过改变锅炉尾气温度和最低壁面温度的函数关系，巧妙地化解了降低锅炉排烟温度与酸露点腐蚀的矛盾，较好地解决了锅炉排烟温度难以降低的世界性难题，为充分利用锅炉余热提供了新的空间，开创了科学可靠的锅炉节能新思路、新技术。
二、技术现状
有多种方法可以降低排烟热损失。
从运行方面来讲，燃用设计煤种或适宜实际运行的煤种，保持稳定、适当的锅炉出力，保证锅炉燃烧良好，防止冒黑烟，定期除灰、保持受热面清洁，降低过量空气系数、减少漏风，都可以有效地降低排烟损失。
然而，由于目前公司运行管理良好，从锅炉的运行、检修、试验、检测等管理方面已无更大的节能空间。
只有采取具备新节能技术的硬件才能进一步突破节能瓶颈。
图1：
排烟温度变低时，在空气预热器进口端逐步产生腐蚀
一般来说，要利用锅炉尾部烟气热量（低温余热），提高锅炉效率和节能目的，势必要降低锅炉尾部烟气温度。
如果安装于锅炉尾部的换热器受热面的最低壁温低于烟气的酸露点，将发生严重的酸露腐蚀和堵灰（见图1），影响锅炉安全运行。
传统设计的换热器为避免发生低温腐蚀，其壁温与排烟温度成倍数关系。
如果酸露点为65℃，为保证不发生低温腐蚀和堵灰，换热器壁温必须高于65℃，则排烟温度要高于135℃。
所以，为了保证锅炉安全运行，排烟温度不能设计得很低。
复合相变换热器技术与装置（FXH）是一种用于低温排烟热源回收的装置。
它的研发和应用成功，为低温余热利用带来了革命性突破。
它灵活的使用了气化液化相变的强化换热技术，在换热器管内让传热工质处于相变工作。
其技术核心和创新在于换热器壁温整体可控可调。
在充分发挥相变潜热的热传导的优势下，灵活配置换热器的不同部分，一方面满足最低壁温高于烟气酸露点的要求；
另一方面充分发挥相变传热的高效性，使壁温与排烟温度维持较小的温差。
在保证受热面不结露的前提下降低排烟温度,“最大幅度”有效地进行降温节能、提高热效率和防腐能力。
该装置创新了热力学、传热学、自动控制以及现代计算等设计技术，成功地解决了锅炉低温排烟温度难以降低的世界性难题，是中低温热源利用上的一次世界性突破。
复合相变换热器曾经被列入国家级产学研工程，是一种拥有自主知识产权、原创性的全新系列换热技术。
，由中科院院士和工程院院士参加的专家组所做的国家级鉴定文件这样描述过：
“它不同于热管技术，经查新，该技术在将壁面温度作为一个锅炉基本设计参数方面，未见类似报道，是相关设计理念上的一次创新”。
复合相变换热器技术的研究与装置的研制是成功的，尤其在避免烟气低温腐蚀的前提下，提高锅炉热效率方面，该技术为国内外首创，处于国际领先水平。
”该装置荣获过国家经贸委颁发的“九五国家技术创新优秀项目奖”并同时被授予“国家重点新产品”证书。
复合相变换热器节能技术的问世已经过去了许多年。
但是，该技术独特的先进性仍然为目前的其他节能技术所不可替代，在许多关键性的技术指标方面继续保持“国内外领先”的强大优势。
复合相变换热器曾经列入国家级产学研工程，是涉及相关“设计理念”的创新和拥有自主知识产权的先进系列节能技术。
该系列技术属于国内外首创和处于国际领先水平，可以广泛用于电力、石油、化工、钢铁、纺织、医药等行业的各种锅炉、加热器与换热设备之中，具有大幅度回收余热的能力，使锅炉热效率稳定提高1.5-10%。
目前已经拥有与复合相变换热器相关的发明专利5项、实用新型专利7项，曾经获得“国家技术创新优秀项目”奖和被授予“国家重点新产品”证书。
序号
专利号
专利名称
类型
1
92102776.1
复合相变换热器
发明
2
99226380.8
整体热管式复合相变换热器
实用新型
3
99240426.6
热空气回流式复合相变换热器
4
99240424.X
无压式复合相变换热器
5
01105959.1
旁通式复合相变换热器
6
01254156.7
分体式复合相变换热器
7
02136600.4
混合式复合相变换热器
8
201010527957.3
电厂用节能节水除硫综合系统
9
201010528313.6
工作于第二安全区的加热炉用复合相变换热器
复合相变换热器技术主要特点：
作为一种涉及“设计原理”变更，高效可靠的原创性节能技术，复合相变换热技术有如下主要特点：
（1）能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；
（2）在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度始终高于酸露点，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅度降低设备的维护成本；
（3）保证换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定，并能适应锅炉的燃料品种以及负荷的变化；
（4）在保留热管换热器具有高效传热特性的同时，通过适时排放不凝气体有效解决相变换热器可能出现的老化问题，大大延长设备的使用寿命。
复合相变换热技术鉴定情况
2000年12月受国家经贸委委托，由中科院院士刘高联、工程院院士秦裕琨等专家组成的鉴定委员会，对“复合相变换热器技术与装置”进行了严格的国家级鉴定。
2001年5月“复合相变换热器”被认定为2001年国家重点新产品。
6月“复合相变换热器技术及应用”项目获得“九五”国家技术创新优秀项目奖。
2007年3月中国工程院上海院士中心在上海科学会堂召开了“复合相变换热器在锅炉上的应用”专家讨论会获得中国工程院上海院士中心的应用实施认证。
刘高联、秦裕琨院士在鉴定会现场刘高联、秦裕琨院士在鉴定会议上
国家级重点新产品鉴定验收证书
获得中国工程院上海院士中心的应用实施认证
复合相变换热器技术与低压省煤器技术的差异比较
相变换热器
低压省煤器
最低壁面温度
1、能够保证最低壁面温度与排烟温度的温差≤15℃；
即当排烟温度降至120℃时，最低壁面温度可以控制在105℃，保证了受热面安全。
2、最低壁面温度可根据锅炉负荷和燃料变化进行调整，调整范围为设计值的±
7℃；
3、在相同的排烟温度情况下，复合相变换热器的最低壁面温度比低压省煤器的最低壁面温度高近20－30℃，因而设备更安全。
4、复合相变换热器壁面温度的可调节范围更大。
控制简单，只需通过调节进水流量即可。
1、当排烟温度120℃时，最低壁面温度只能控制在80℃以下；
2、在壁面温度确定后，尽管可以实现可控可调，但受到进、出水温的限制，调节幅度有限；
3、由于实际运行中监测点较多，控制复杂，安全余量小，可能会带来隐患。
排烟温度
1、进口烟气温度可以在±
5℃变化时，而保持排烟温度不变；
排烟温度在允许的条件下可降至比酸露点高20℃。
2、在保证受热面不受低温腐蚀的情况下，复合相变换热器的可将排烟温度降到更低。
1、排烟温度想降的更低只能以牺牲受热面的寿命为代价。
受热面及烟气阻力
1、为了保证设备安全运行，相变换热器维持较高的壁面温度；
2、在烟气温降相同的情况下，设备受热面积与设备的表面温度成反比。
尽管受热面比其它换热器大，但经过优化设计，能够保证烟气压降≤350Pa。
1、受热面小以壁面温度低为代价；
2、烟气压降大，一旦发生堵灰则更加明显。
节能效益
1、最大幅度降低烟气温度，用户可根据设备投用后的情况逐步找到最佳温度，使设备的投资效益最大化。
2、使锅炉热效率稳定提高1%-3%。
1、设备能够调整的进口和出口烟温变化范围小，排烟温度和最低壁面温度之间始终是一对矛盾。
三、典型项目基本情况
山西兴能发电有限责任公司
1、项目前期基本情况：
从2011年4月开始与山西兴能发电有限责任公司进行技术交流、考察，于2012年1月份签订技术协议，并在2012年3月30日通过山西省经济和信息化委员会、山西焦煤集团公司、西山煤电集团、山西兴能发电有限责任公司、西安热工研究院有限公司、华北电力设计院、华北电力大学、山西省电力勘测设计院、上海中源科扬节能技术有限公司参与的论证会。
2、项目建设必要性：
根据山西兴能发电有限责任公司锅炉运行数据，其全年非采暖期满发工况机组实际排烟温度平均约148℃，采暖期满发工况机组实际排烟温度平均约135℃左右，年均排烟温度约141.5℃，高于锅炉额定工况设计参数的121℃，有必要采取具备新节能技术的硬件降低排烟热损失，提高效率和节能目的。
3、项目建设内容：
在山西兴能发电有限责任公司锅炉电除尘器入口的每条烟道上全部安装由上海中源科扬节能技术有限公司设计生产的复合相变换热器，换热器分吸热段（下段）和放热段（上段），每台机组安装8套。
换热器吸收烟气余热，非采暖期用于加热同机组的凝结水，采暖期用于加热本期工程暖通热网首站的循环水。
4、建成后节能效果：
预计改造实施后，山西兴能发电有限责任公司600MW机组的排烟温度可以降低16～29℃，回收烟气余热非采暖期约24172KW，采暖期约13336KW，机组每台最大可增加发电能力非采暖期约1.723MW，采暖期约2.577MW，两台600MW机组改造后每年净增发电量2603万千瓦时。
300MW机组的排烟温度可以降低26～41℃，回收烟气余热非采暖期约17927KW，采暖期约11369KW，机组每台最大可增加发电能力非采暖期约1.461MW，采暖期约2.568MW，两台300MW机组改造后每年净增发电量2336万千瓦时。
目前三、四号机组已竣工；
一、二号机组预计2013年6月开工。
大唐华银金竹山发电厂
从2011年12月开始与湖南大唐先一能源管理有限公司进行技术交流、考察，于2012年7月上旬，编制完成了《大唐华银金竹山发电厂1号机组应用复合相变换热器技术进行烟气余热回收利用工程可行性研究报告》，2012年9月份签订技术协议与合同，并在2012年9月21日顺利开工。
根据大唐华银金竹山发电厂锅炉运行数据，其1号机组的锅炉排烟温度较高，本次改造，考虑采用复合相变换热器技术，回收利用空预器出口高温烟气的余热，用来加热凝结水，从而达到减少汽轮机抽汽量，增加机组发电能力的目的。
在大唐华银金竹山发电厂1号锅炉的电除尘器出口烟道上，每条烟道加装4套复合相变换热器。
系统按单元制设计，相变换热器吸收锅炉尾部烟气的热量用来加热主机凝结水。
改造前，除尘器出口烟气温度全年平均约130℃。
经改造，换热器尾部排烟温度可降到105℃，此区间烟气降温幅度为25℃，按燃煤量计算可知，复合相变换热器可回收热量QTRL：
21716KW。
利用复合相变换热器回收的烟气余热用于加热主机凝结水。
按照设计方案，83.2℃的凝结水送至复合相变换热器吸热升温至105℃以上，再返回各自系统。
可减少6号低加所需的6段回热抽汽约32.93t/h。
以上减少的汽轮机抽汽可以继续在低压缸中做功，从而增加机组的出力，单台机组增加出力约3.861MW。
按照年利用小时数4000小时计算，机组改造后每年净增发电量1514万千瓦时。
山东晨鸣纸业集团股份有限公司
1、项目背景：
600吨循环流化床锅炉（已改造两台），原排烟温度152℃。
2、存在问题：
1、由于锅炉使用年限较长，受热面的换热能力降低，使得排烟温度与原设计值相比略高，造成锅炉排烟损失增加、效率降低。
2、用高品位汽源加热低除不符合能量的梯级利用。
3、改造方案：
现应用复合相变换热器对其锅炉进行改造，回收的热量用于加热通过冷渣器后的除盐水，将相变段的最低壁面温度控制在不低于110℃的状况，同时运行排烟温度由152℃降至125℃左右，回收了大量烟气余热。
4、改造后节能效果：
排烟温度降至125℃，换热器最低壁温为110℃。
回收的热量可以将冷渣水由35℃加热至95℃左右，节省了大量高品位蒸汽。
年节标煤量4950吨/台，按吨煤800元计算，年节能效益396万元/台。
现场在控制室显示的运行数据如下：
四、市场前景展望
通过近十年的实验和应用，复合相变换热器不仅具有其它节能技术不可比拟的节能效益，而且适用性极其广泛，可以灵活配置于工业锅炉、热电联产锅炉、电站锅炉、油田注气炉、石化加热炉等各类锅炉，涉及电力、石油、化工、石化、冶金、纺织等行业，具有明显的可持续开拓的强大技术优势，市场前景非常广阔。
我国锅炉平均运行效率比国际先进水平低10～15个百分点，锅炉节能改造被国家列为十大重点节能工程之首。
锅炉效率低的主要原因之一是热能转换装置工艺技术落后，排烟温度高，热能损耗大。
我国现有50多万台工业锅炉，即使只有1万台较大吨位锅炉采用复合相变换热器技术改造换热装置，按排烟温度平均降低30～40℃保守测算，每年总计可节能3000万吨标准煤，价值150亿元，并可相应减少SO2排放240万吨、CO2排放2400万吨。
由此可见，推广应用复合相变换热器对于落实国家节能减排战略具有十分重要的现实意义。
复合相变换热器作为原创性节能技术，通过多年节能技改工程实践和不断改进完善，其节能效益以及设计科学、技术先进、性能可靠、使用方便等多重效果均得到验证，具有其他节能技术无法替代的显著优势。
中源科扬节能公司将不断加快研发步伐，全力满足用户需求，用中国人独创的节能专利技术促进国家节能减排目标早日实现。
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