戴谷民1 王思彪1 过浩敏2 沈坤全2 曹绛敏2 董 敢2 王启杰2
1.上海外高桥发电厂 上海200137 2.上海电力学院 上海200090
现代大型燃煤锅炉在启停过程中常需使用燃油，在低负荷时也要用油枪来稳定火焰，防止炉 膛灭火。现有燃煤机组中仍有相当部分用重油或渣油为助燃用油，一般对于蒸汽雾化或蒸汽机械雾化的喷嘴要求预热至135℃，机械务化则要求预热至160℃，以保证良好的雾化效果［1］。因此，在锅炉运行中，燃油必须随时处于热备用状态，但助燃用油的油量变化大，往往是大量热油循环返回油库，如果没有合理的回油冷却系统，将使油库超过允许的安全温度，严重时影响设备和系统的安全运行。有些电厂为了不使油库超温，降低入炉油温，带来的后果是雾化质量差，炉内燃烧不充分，给锅炉的尾部受热面带来危害，甚至排放超标，造成对大气环境的污染加剧。
目前上海市的电厂大都采用水冷却的燃油回油冷却系统。这种冷却系统存在：(1)加热燃油的能量没有回收，能量损失大；(2)需要配套的附属设备多，运行操作复杂；(3)系统的经常性维护和检修工作量大，运行费用高，以及占地面积大，系统布置复杂，对水环境有污染等。上海外高桥电厂建成并投入运行一种新型节能的燃油回油冷却系统，已经受了上海历史上罕见的连续高温的考验。现场测试表明，该系统运行正常，冷却效果好，节能、节电、节水效果显著，值得在电力系统内推广。
1 用水冷却的燃油回油冷却系统
目前常用的燃油回油冷却系统是用冷却水冷却燃油回油。图1示出典型的用水冷却的燃油回冷却系统的冷却原理图，该系统用于冷却25t/h的热回油。由于渣油的凝固点温度在62～65℃，故冷却水温度必须高于此温度，否则渣油将在冷却器内凝固。因此，用水冷却时必须采用2级冷却系统，即在系统内设置一不锈钢恒温水箱，箱内存有用于冷却高温回油的除盐水(采用不锈钢水箱及除盐水的原因下面另行说明)，不锈钢水箱内的除盐水温度通过温度调节系统控制在高于凝固点温度的某一恒定温度，一般为70℃左右。从图1可见，首先系统
图1 典型的采用水冷却的燃油回油冷却系统原理图
在油/水冷却器(用2台AlfaLaral公司生产的CB-300型钎焊板式换热器并联工作)中用70℃的恒温水冷却从锅炉房来的高温回油，然后再在水/水冷却器中用电厂的循环水冷却受热后的除盐水，受热后的循环水排入地沟。
用水进行冷却的系统有2个优点，一是冷却水(除盐水)侧换热系数大，冷却效果好；二是除盐水和热渣油之间的传热温差大。因而油/水冷却器需要的传热面积小，即回油冷却器本身的体积和尺寸较小。但是水冷却系统的缺点也是十分突出的，主要可归结为下列6个方面。
1.1 能量的浪费
从能量利用的角度看，在热备用状态时，经油泵输出的燃油在燃油加热器中被蒸汽加热，然后又通过油/水冷却器及水/水冷却器把这部分热量传递给循环水，经地沟排走。即这部分热量在没有得到任何利用的情况下，全部损耗掉了。
1.2 配套设备多，运行操作复杂，年运行费用高
在采用水冷却的燃油回油冷却系统中，尽管油/水冷却器本身的体积和尺寸比较小，但是由于采用2级冷却系统，故配套的附属设备较多。
某电厂采用水冷却系统的运行实践表明，由于油/水冷却器油侧压力较高，出于承压的考虑，采用阿法拉伐公司生产的不可拆卸的CB-300型钎焊板式换热器，其板片之间通道间隙仅2mm，水垢极易形成，且清洗困难。故油/水冷却器的水侧采用除盐水及不锈钢恒温水箱。即使如此，由于水管道仍是普通钢管(全部用不锈钢费用太大)，时间稍久，除盐水就泛黄，水质变差。故需定期更换水箱内的除盐水(每次约6t)，并对不锈钢水箱做一次全面的清洗。此外，由于细小的杂草，淤泥将使水/水换热器(M10FM型可拆卸式板式换热器)循环水侧及其进水管堵塞，故需经常检修清洗，使维护和检修工作量增大，检修费用高。
1.3 安全性较差
某厂曾发生油/水冷却器内部通道局部泄漏，以致发生燃油泄漏到水侧的现象。
1.4 对环境有污染
由于油加热器中蒸汽的加热量全部通过循环水排入江河，增加了热污染。此外，一旦油/水冷却器内部发生泄漏，还将引起水侧被污染。
1.5 占地面积较大
由于配套的附属设备多，系统较复杂，因此占地面积较大。
2 新型节能燃油回油冷却系统
图2示出在外高桥电厂使用的一种新型燃油回油冷却系统原理，该系统主要由回油冷却器及回油空气冷却器组成。
图2 一种新型节能燃油回油冷却系统原理图
2.1 回油冷却器
采用4台AlfaLaval公司生产的CB-300型钎焊板式换热器作回油冷却器，4台并列工作，每台有4个流程。在回油冷却器中，用油泵出来的冷油直接冷却从锅炉房来的热回油，使回油温度降低。同时又实现了利用回油的热量加热油泵出来的冷油，使供油温度升高。这样既省掉了冷却热回油所需的冷源及需带走的热量，又减少了加热冷油所需的热源设备(通常由热油加热器承担)及所需的加热热量(通常由蒸汽来提供)，因此达到了节能的目的。回油冷却器的设计中着重要考虑和解决2个问题：
2.1.1 安全性较差
从节能的观点看，通过充分的热交换，将回油出口温度尽量降低到接近于油泵出口冷油的温度(板式换热器的供油温度)时节能最多。但是随着回油出口温度逐步接近于冷油进口温度，使回油冷却器的传热温差减小，其传热面积及尺寸急剧增大，设备费用高昂，总体而言是不经济的。若将回油出口温度选得较高，回油冷却器的传热温差大，面积尺寸小，设备初投资费用低。但是回收的能量也随之减小，而且使后继冷却设备(回油空气冷却器)的热负荷增大，传热面积及设备费用相应增大，也是不经济的。因此，对于给定参数的系统，存在一最佳回油出口温度，需要通过对系统的优化设计才能确定。
2.1.2 回油(热油)和供油(冷油)侧的压降
为了保证炉前的供油压力以及返回油库所需的压头(需根据油泵的扬程及系统管路各部件的压降计算)，确定回油侧和供油侧的最大允许压降。根据规定的允许压降核算板片通道的尺寸和布置，进而进行热计算，求得所需的传热面积、板片数目等。鉴于篇幅所限，有关回油冷却器的设计细节另文介绍。
将温度为最佳回油出口温度的回油直接送回油库，仍超过油库允许的安全温度，此温度与油库结构及气候季节温度有关，夏季时由于油库散热条件差，允许的温度值低，冬季时油库自身的散热量大，允许的油温可高一些，外高桥电厂规定夏季的安全油温为92℃。为此我们专门设计一回油空气冷却器，利用环境空气实现回油的进一步冷却。
2.2 回油空气冷却器
为了避免水冷却带来的诸多缺点，我们尝试用空气作为冷却介质。空气冷却(简称空冷)的最大优点是：保护水资源，节约用水；对环境没有热污染和化学污染；空气腐蚀性很小，不需要除垢和清洗，使用寿命长；运行和维护费用低，一般情况下仅为水冷系统的10%；只在酷热的夏季才需要启动风机，在一年的其它季节中，仅依靠管束的自然对流散热就可保持足够的冷却能力。
尽管国外空冷电站已有40多a的历史，国内空冷电站的引进和发展也有10a左右的历史，但是电站助燃用回油空冷器的使用在国内外尚属首次。与凝汽器的直接或间接空冷不同，助燃用回油空冷器存在一些特殊问题需待解决，如油温在80～110℃之间，重(渣)油的粘度很大，在选用较低的管内设计流速后带来的问题是对流换热系数低，传热面积大以及管程数多，管箱结构复杂。又如冬季低温下，若设计或操作不当时，重(渣)油易发生凝固等现象。本文在炼油厂渣油空冷器(油温在135～170℃)的基础上［2］，成功地设计了回油空冷器，设计中着重考虑和解决了下面2个问题：
2.2.1 管内油侧与管外空气侧热阻的匹配
由于油温较低，油的粘度大，因此管内油的流速不宜选的较高，再加上出于防冻的目的，采用横截面(直径)较大的管子，使管内油的Re数比较低，对流换热系数也较小。通过计算表明，在这种情况下，管外空气侧不采用翅片强化，即可实现两侧热阻的匹配，故与一般的空冷器不同，回油空气冷却器采用的65×3.5的光管。与翅片管相比，光管外侧的热阻大，有利于重油的防冻。
2.2.2 重油的防冻
回油空气冷却器的防冻问题是设计的关键。一方面，设计中要核算壁面温度，使其在正常状态及变工况时高于重油凝固温度；另一方面，在万一发生凝固时有一定的解冻手段。通过采用大直径光管，逐一停开3台风机，逐一关闭百叶窗以及在管束下面加装蒸汽盘管(设备正常运行时不投运，极端严寒或事故状态时，用蒸汽加热冷空气，进行解冻)等手段保证设备安全运行(有关回油空冷器的设计细节另文介绍)。
2.2.3 系统运行情况
图3示出外高桥电厂的回油冷却系统，表1给出了部分典型的运行数据。从表1可以看出冷却效果良好，在回油流量22.4t/h、温度为135℃时，热回油经回油冷却器被冷却到101℃，再通过回油空气冷却器(不开风机条件下)进一步被冷却到98℃，进入油库。由于测试时环境空气温度平均在17℃左右，此温度己能保证油库的安全，故空冷器的风机没有启动，依靠自然通风冷却。
图3 外高桥电厂的回油冷却系统
表1 外高桥发电厂燃油回油冷却系统改造调试测量数据表
时间
回 油 系 统
供 油 系 统
空 气 冷 却 器
质量流量
/t.h-1
温度/℃
压力/MPa
换热量Q
/kJ.s-1
质量流量
/t.h-1
温度/℃
压力/MPa
对数平均
温差/℃
温度/℃
压力/MPa
换热量Q
/kJ.s-1
风机投
运台数
百叶窗
开度
进口
出口
进口
出口
进口
出口
进口
出口
进口
出口
进口
出口
1∶30
22.4
132
99
0.5
0.32
464.05
22.33
84.0
118
1.23
1.12
14.5
99
95.0
0.32
0.10
54.36
-
-
5∶30
22.4
134
100
0.5
0.32
479.39
23.03
85.0
119
1.23
1.12
15.0
100
96.0
0.32
0.10
54.46
-
-
9∶30
22.4
134
100
0.5
0.32
79.39
23.03
85.0
119
1.25
1.12
15.0
100
97.0
0.32
0.11
40.88
-
-
13∶30
22.4
135
101
0.5
0.32
480.23
22.71
85.5
120
1.23
1.11
15.5
101
97.5
0.32
0.11
47.76
-
-
18∶30
22.4
134
101
0.5
0.32
465.70
22.33
86.0
120
1.23
1.11
14.5
101
97.5
0.32
0.10
47.76
-
-
23∶30
22.4
134
101
0.5
0.32
457.28
21.93
86.0
120
1.23
1.12
14.5
101
97.5
0.32
0.10
47.76
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-
3 技术经济比较
与目前使用的用水冷却的燃油回油冷却系统相比，新型节能燃油回油冷却系统具有明显的节能效果，每年可节省标准煤500t，节省电能126360kW.h,节省除盐水150t，循环水432000t，节省对系统设备的维护保养人工180工。尽管这种系统的初投资费用一般比用水冷却的燃油回油冷却系统高出约40%，但是由于节能效果显著，年度运行费用很低，故只需2.5a左右的时间即可收回全部的设备投资费用，而且占地面积小，对环境没有污染，因此是一种值得在电站推广的燃油回油冷却系统。
参考文献
1 燃油锅炉燃烧设备及运行编写组.燃油锅炉燃烧设备及运行.北京：水利电力出版社，1976
2 马义伟，钱辉广，胡宝尤.联合型渣油空冷器的设计及运用.化工炼油机械.1982(5)
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