H鳍片管省煤器技术报告

H鳍片管省煤器

技

术

报

告

目录

1.Ｈ型鳍片管介绍 (1)

2. H型鳍片管的优点 (1)

2.1 优异的防磨性能 (1)

2.2 积灰减少 (2)

2.3 空间紧凑，更高幅度地降低排烟温度 (2)

2.4 减少烟气侧阻力 (3)

2.5 降低引风机运行和投资成本 ..................................... 错误！未定义书签。

2.6 各种省煤器对比如下表： (3)

3. H型鳍片管结构特点 (4)

4. H型鳍片管省煤器的结构特性分析 (5)

4.1 H型鳍片管属于扩展式受热面 (5)

4.2 H型鳍片管省煤器是属于紧凑型换热器 (5)

4.3采用H型鳍片管省煤器不但可以节省空间也可以减轻重量 (6)

5. H鳍片管问题探讨 (7)

5.1 H鳍片管抗飞灰磨损的措施和原理 (7)

5.2 H鳍片管的传热机理以及结构参数的选择 (8)

5.3 H鳍片管的材料的选择 (9)

5.4采用H鳍片管省煤器经济性的考虑 (9)

5.5 H鳍片管的制造和质量要求 (9)

5.6采购程序和注意问题 (10)

5.7 H鳍片管省煤器适应情况 (10)

6. H型翅片管的传热和阻力计算 (11)

7. 结论 (12)

1.Ｈ型鳍片管介绍

H型鳍片管，亦称H型肋片管，也有称蝶片管的，它是把两片中间有圆弧的钢片对称地与光管焊接在一起形成鳍片（肋片或蝶片），正面形状颇像字母"H”，故称为H 型鳍片管。

H型鳍片管的两个鳍片为矩形，近似正方形，其边长约为光管的2倍。属扩展的受热面。H型鳍片管采用闪光电阻焊工艺方法，其焊接后焊缝磨合率高，焊缝抗拉强度大，具有良好的热传导性能。H型鳍片管还可制造成双管的"双H”型鳍片管，其结构的钢性好，可以应用于管排较长的场合。

单H型鳍片管双H型鳍片管

2. H型鳍片管的优点

2.1 优异的防磨性能

省煤器磨损：磨损主要是灰粒对管子的冲击和切削作用，在管子周围与水平线成30°部位磨损最厉害S1/d=S2/d=z时，此处磨损量为平均值的3倍；错列布置由于气流方向改变，第二排磨损最厉害，S1/d=S2/d=z时第二排是第一排磨损量的2倍，以后各排磨损量比第一排一般高30%-40%；顺列布置第一排与错列布置第一排相同，以后各排由于气流冲击不到管子磨损较轻。在其它条件相同情况下，顺列管束的最大磨损量比错列管束少3-4倍；管子磨损速度与烟气速度不均系数Kv成正比，与飞灰浓度不均系数K u成正比。

H型鳍片管省煤器采用顺列布置，H型鳍片与管子垂直（不像螺旋鳍片管有一定的角度），把空间分成若干小的区域，对气流有均流作用，与采用错列布置的光管省煤器，螺旋肋片省煤器，纵向鳍片省煤器相比，在其它条件相同情况下，磨损寿命高3-4倍。

2.2 积灰减少

●H型鳍片具有良好不积灰的鳍片间距，积灰形成发生在管子背向面和迎风面。管子错到布置容易冲刷管子，背面积灰较少。对于顺列布置管子，由于气流不容易冲刷管子背面，就管子而言顺列布置积灰比错列多。

●H型鳍片由于鳍片焊在管子不易积灰的两侧，而气流笔直地流动，气流方向不改变，鳍片不易积灰。

●H型鳍片中间留有4-10 mm间隙，可引导气流吹扫管子鳍片积灰。

●螺旋片由于肋片螺旋角引导气流改变方向，肋片管积灰比较严重，对于不形成松散性积灰的省煤器，不能釆用。现场运行实践表明：H型鳍片管不积灰，而螺旋片鳍片积灰严重。

●纵向鳍片管由于鳍片焊在积灰迎风面和背面，由于气流沿鳍片流动，气流到管子处改变方向形成漩涡。部分区域易形成积灰。

●H型鳍片由于两边形成笔直通道，可取得最好的吹灰效果。

2.3 空间紧凑，更高幅度地降低排烟温度

H型鳍片管省煤器的扩展受热面可以根据需要进行灵活设计，在有效的锅炉空间可以设计更多的受热面，进而更大幅度的降低排烟温度；或者在一定的排烟温降的前提下，将省煤器设计更紧凑。

以670 t/h锅炉为例进行比较

1)H型鳍片空间高度是光管省煤器的70%

2)H型鳍片管子根数是光管省煤器的35%-40%，弯头减少、支撑减少

3)H型鳍片重量是光管省煤器的80%，是纵向鳍片管的87%。

2.4 减少烟气侧阻力，降低引风机运行和投资成本

由于H型鳍片管近似方形结构，组装成换热器后，管束间被鳍片分成众多小通道，对气流有一定均流效应，气流近似纵向顺流，气流阻力相对较小，而螺旋肋片管束由于肋片的导向性，气流扰动强，紊乱度高，气流流动阻力大。在设计流速相同的情况下，H型鳍片管束与螺旋肋片管束相比，流动阻力大大降低。

2.5 各种省煤器对比如下表：

3. H 型鳍片管结构特点

在H 型鳍片管省煤器中，蛇形管受热面的直管部分采用H 型鳍片管代替光管。这种省煤器在结构上有以下几个特点：

1.直管部分基本为为双H 鳍片管，部分采用单H 鳍片管；

2.由小R 标准弯头将H 鳍片管连接成蛇形管排；

3.弯头部分用隔板将弯头隔离于烟气流之外，以彻底防止烟气对于弯头部分的飞灰磨损；

4.管组采用悬吊管或两端由包复壁（或烟道中间隔墙）上的托块支吊；

5.管组的出厂组装方式根据支吊结构和运输条件确定。

一台300MW 汽包锅炉的H 型鳍片管省煤器

4. H型鳍片管省煤器的结构特性分析

4.1 H型鳍片管属于扩展式受热面

光管外面焊上鳍片，自然增加了受热面。一般采用扩展系数来表明受热面增加的程度。

扩展系数=单位长度鳍片管总的表面积/光管的外表面积

单位长度鳍片管总的表面积=总的鳍片与烟气接触的表面积+管子外表面积一被鳍片遮盖住的管子表面积

典型的H型鳍片管的结构要素为：

●鳍片的宽度和高度大约等于2倍的管径。如果鳍片尺寸过大，尽管增加了受热面，但是由于沿着鳍片向管子热传导的路径过长，引起鳍片端部的金属温度升高，降低了传热的效果。

●鳍片的厚度一般为3mm，有的小型锅炉也会用2.5mm。

●鳍片的间距为25mm。这主要受焊接结构的限制。

在这样情况下，H型鳍片管的扩展系数大约在5上下。

4.2 H型鳍片管省煤器是属于紧凑型换热器

有以下几个因素可以提高单位空间中所能容纳的省煤器受热面。

●与光管相比较，同样长度的H鳍片管受热面要大约5倍（扩展系数）。

●在烟气流程方向，H型鳍片管的间距一般取决于管子弯头的弯管半径。近年来，随着弯管技术的提高，采用R/d= 1.0-1.2的弯头没有什么制造上的困难。另外一个因素是为了提高管排的刚性和提高鳍片的焊接工效，一般都采用双鳍片管。在采用双鳍片时，要是R/d过大，会造成纵向间距过大。这时鳍片的高度就偏大，与宽度不相称。传热效果不好，白白浪费了材料。

●由于H型鳍片管的耐飞灰磨损性好，因此一般选取较高的烟气流速。如果光管时候选取8m/s的话，H型鳍片管则可以选取11m/s。适当高的烟气流速同时也可以防止积灰。

●为了防止弯头与烟道壁面相邻处所形成的烟气走廊地区的磨损，采用隔板将弯头隔离在烟气流之外，彻底解决了磨损。这样做的代价是损失了一部分烟道截面，也就是空间。不过这个损失所占的比例不大。烟道较深时，也就是8%以下。综合以

上因素，单位空间所能容纳的受热面，H型鳍片管大约是光管的7-9倍（见表3)。

考虑到实际采用的对流换热系数H鳍片管比光管低的因素，两者所需要占据的空间比例大约是1:3。也就是原来采用光管时需要3个管组，现在用一组鳍片管即可。

4.3采用H型鳍片管省煤器不但可以节省空间也可以减轻重量

节省管组占据的空间：单位空间所能容纳的受热面，H型鳍片管省煤器大大大于光管，但是实际的设计还要考虑由于对流换热系数的不同。H型鳍片管的对流换热系数小于光管。在一般选取的合理烟气流速情况下，H型鳍片管大约是光管的1/3。这样实际占有的空间，H型鳍片管大约是光管的25-30%。如果光管省煤器有3个管组，也许H鳍片管只要一个管组就可以了。

可以用单位受热面的重量来考察材料的消耗量。由表3的实例可以看出，管径和壁厚相同的情况下，H鳍片管单位面积所需要的金属重量仅为光管的43%左右。其实采用H鳍片管时，因为可以采用较高的烟气流速，管子的尺寸和横向节距都有所减小。这时候，两者的差别更大。例如对于实例5而言，光管方案Φ50.8×7.89，鳍片管方案Φ44.5×6.2，此时两者重量比例为1:2.9。即使H鳍片管的对流换热系数小于光管，总的来说，管束的重量仍小于光管。对于实例5来说，考虑全部受压件的重量，两者相差约25%。

典型的H型鳍片管省煤器的结构尺寸

注：

(1) 某台300MW亚临界汽包锅炉

(2) 某台600MW超临界锅炉

(3) 某台1050MW超超临界锅炉

(4) 某台600MW超临界锅炉的设计方案

(5) 某台600MW超临界锅炉

*考虑设计烟气流速的降低

5. H鳍片管问题探讨

5.1 H鳍片管抗飞灰磨损的措施和原理

H型鳍片的方向与烟气流动方向平行。由于H鳍片管的制造确保几何尺寸的准确性，众多的鳍片形成许多平行的通道，如同整流栅，形成有序流动，自然就减轻磨损。

一般光管省煤器的弯头部分是防磨的重点部位，因为弯头与烟道壁面之间的空隙流动阻力系数比管束部分小，烟气得到加速，从而形成烟气走廊。烟气随着流程的进展，不断得到加速，以致流速大于管束中的流速一倍以上。在其他同样条件下，磨损的速率与烟气流速的3-4次方成正比。一般采用阻流板以防止烟气走廊的形成，在弯头上复盖防磨罩保护管子。

H鳍片管省煤器采取彻底的措施，就是将所有弯头用隔板将其隔离出烟道，从而根本解决了弯头磨损问题。在局部对应吹灰器的迎风面，管子上（直段和弯管）复盖防磨罩，以保护管子。

图5 所示为英国Drax电厂660MW的燃煤机组，在使用12万小时之后，H鳍片管省煤器未见明显的磨损。国内的有关电厂也没有发现明显的磨损。由于H鳍片管的抗磨损能力很强，因此可以适当提高烟气流速。一般进口处可以达到15m/s左右，管束中平均流速约为11m/s。

经过12万小时运行之后的Drax电厂的H型鳍片管省煤器

5.2 H鳍片管的传热机理以及结构参数的选择

H鳍片管是属于扩展受热面。扩展系数大约达到5上下，也就是说鳍片部分的传热面积大于管子的传热面积，大部分传热在烟气和鳍片之间进行。

烟气的流动情况和对流传热的形式比光管复杂。烟气和鳍片之间类似于在平行流道中的纵向流动。对流换热系数与烟气流速的关系不同于横向掠过光管的情况。但是鳍片间的管子对它来说又是一种扰动。

烟气和省煤器的传热途径大体为两路：1）烟气与管子直接传热。这个过程与光管省煤器相同，但是在H鳍片管的情况下，所占比例不大。2）烟气与鳍片的对流传热。然后是在鳍片中热量通过热传导方式传递到管壁。

由于有在鳍片中热传导过程，因此鳍片的尺寸（高、宽和厚度）对于整体传热有较大影响。

当鳍片的高宽尺寸过大时，热传导路径过长。同时鳍片接近根部时热流密度过大，使得鳍片外缘金属温度升高，可能导致超出许用温度，并且使传热效果变差。

当鳍片厚度过薄时，不但容易碰坏，更主要的是使得导热热阻较大，鳍片外缘温度升高。

一般选取鳍片的外形总宽度为管子外径的2倍。单鳍片时与总宽度相近。双鳍片时还要考虑s2的尺寸，而s2又取决于可以实现的弯管半径。鳍片的厚度一般选取

2.5-3mm。

5.3 H鳍片管的材料的选择

管子的材料一般为碳钢。选择原则主要取决于锅炉执行的标准。如果要求采用ASME标准，则一般选择SA210C。这种材料比国内经常采用的20A许用应力大约高10％。对于超临界机组，由于设计压力较高，建议优先选用SA210C。

鳍片一般选用普通碳钢。由于鳍片与管子之间采用闪光电阻焊，因此选择的原则主要考虑材料的焊接特性。

由于H鳍片管省煤器结构紧凑，检修更换比较困难，因此要确保质量。管材要求采用信誉好的供货商的产品。直段不允许拚焊，也就是采用定尺管。原材料进厂后要经过严格的质量检查。

5.4采用H鳍片管省煤器经济性的考虑

采用H鳍片管代替光管的效益之一就是在多数情况下可以减低部件的制造成本。

有关省煤器本体的成本。一般可以考虑以下因素：

本体重量的降低由于采用鳍片式扩展受热面，而鳍片的厚度小于管子厚度，并且双面与烟气接触传热，因此单位受热面的重量比光管小。由于双鳍片管的刚性显著比同口径单根光管好很多，因此可以采用比光管省煤器较小的口径。这样是的H 鳍片管省煤器的管束重量比光管省煤器有所降低。

由于管束重量和高度的减小，相关部分的重量也减小。其中包括悬吊装置、省煤器烟道外壁（包括炉墙金属构件、外护板、刚性梁）以及炉顶承重结构件。

鳍片管中管子的重量比例一般小于50％。鳍片材料的单价小于管子。考虑H鳍片管原材料的单位重量成本时，需要考虑鳍片的原材料利用率。完整的H鳍片管的单位重量材料费用是两部份的加权平均，一般小于管子的单价。因为比光管比较增加鳍片与管子的焊接工序，所以总的制成后的H鳍片管单价比光管略高。

综合以上分析，总的费用还是比光管低，因此有的制造商把采用H鳍片管省煤器作为“降本增效”的措施之一。

5.5 H鳍片管的制造和质量要求

H型鳍片和管子之间采用闪光电阻焊的办法焊接在一起。对于H鳍片管的制造，

一般要注意以下几方面的要求：

1. 管子要进行涡流探伤，表面采用抛丸或者砂带抛光的办法清除氧化皮。鳍片平整，表面酸洗处理。这些是保证焊接质量的重要环节。

2. 管子一般采用整根无拼接焊缝的定尺管，以避免管段上的焊接问题。

3. 鳍片的节距，与管子轴线的垂直度都有一定的要求。

4. 鳍片和管子间焊缝的质量要求包括融合率、融合周长（角度）、抗拉强度等。

5.6 采购程序和注意问题

和常规光管省煤器不同，鳍片管省煤器是由专业供货商作为一个产品供货，而不是采用委托加工方式。

作为一个产品提供具有以下特征：

1. 供货商对于产品的各项性能负责。性能包括：在一切用户给定的条件下保证总的传热量、工质流动阻力、烟气通风阻力、使用寿命等等。

2. 总包商（锅炉制造厂）对于设计工况要提出明确要求，同时也要求鳍片管省煤器供货商对于其他工况提供预计的相关参数。

供货商一般首先提供订货咨询单请锅炉厂填写。典型的咨询单的内容包括： 燃料数据：元素分析

燃烧产物（烟气）数据：烟气成分

烟气测数据：流量、进口和出口温度（对于双烟道要分别列出）

工质侧数据：流量、进口和出口温度（对于双烟道要分别列出）

有关结构要求：尾部烟道信息（单烟道还是双烟道、烟道深度和宽度）、受热面的支吊方式和尺寸、如果采用光管时省煤器的结构尺寸

5.7 H鳍片管省煤器适应情况

H鳍片管具有优异的抗磨损性能，同时在结构上采取将弯头部分隔离于烟气流之外的做法，使得H鳍片管省煤器具有优良的抗磨损特性；

H鳍片管省煤器可以占用较少的空间，因此在锅炉尾部布置有困难时候特别适合采用；

采用H鳍片管省煤器可以降低制造成本，一般来说在超临界和超超临界锅炉效果更加明显。超临界和超超临界机组总体技术等级较高，因此配置也应该相应较高。另外直流锅炉的省煤器受热面一般比自然循环要大许多，在加上压力等级高，因此

制造成本的降低就很明显。在国外也应用于低参数的锅炉，这些锅炉的省煤器受热面也较大，因此造价可以相对降低；

某些要求增加省煤器受热面以降低排烟温度的技术改造项目，由于现有锅炉的尾部空间受到局限，这时可以考虑采用H 鳍片管省煤器，替换原有受热面。这样新的省煤器就可以在原有的空间不变的情况而达到增加吸热量的目的。

6. H 型翅片管的传热和阻力计算

在H 型翅片热管换热器的设计中，需要计算翅片管的管外换热系数h 和流动阻力△P 。根据以往的研究和设计经验，推荐一种暂用的计算方法，其要点为：

(1) 用某一当量直径De 将H 型翅片虚拟地转化为环状翅片，如图所示。其中，翅片当量直径De=(a+b)/2，管外径为d b ，翅片高度H=(De-d b )/2。这样，H 型翅片的表面积可按当量直径为De 的环形翅片计算。应当指出，以De 计算的环形翅片表面积要小于H 型翅片的实际面积，使设计偏于安全。

(2) 关于H 型翅片管管外换热系数的计算。建议采用修正的Briggs and Young 的公式计算，该关联式是经过大量试验得出，并在空冷器及高频焊翅片管的传热计算中广泛应用。考虑到H 型翅片管的顺排特点，需将原来叉排关联式的系数乘以0.7，修正后的关联式为：

()296

.03

1718

.0m b b H Y Pr G d d 09646.0h ?

?

?

?????

?

??=μλ (1)

式中，G m 为管束最窄流通截面处的质量流速，kg/m 2·s ，Y 为翅片间距，H 为翅片高度。该关联式与下面的实验关联式十分接近：

()

()

3

17013

.0b

Pr Re d 09152.0h λ

= (2)

根据式(2)和式(1)进行对比计算，式(1)的计算结果比式(2)的结果大10-15％。但由于式(2)中没有考虑翅片的几何因素(如翅高，翅片间距等)的影响，因而应用起来有很大的限制。而式(1)考虑了各种翅片尺寸及管子排列的影响，因而有更大的适用范围。

(3) 关于H 型翅片管管外流动阻力的计算，建议按顺排管束的试验关联式进行

计算：

()ρ

2P 2

Gm N f

=? （3）

式中，△P ：流动阻力Pa ：N ：流动方向管排数；Gm 为管束最窄流通截面处的质量流速，kg/m 3·s ；ρ烟气(空气)密度kg/m 3；?：阻力系数，对按正方形排列的顺排管束：

823

.0b 196

.012

.0m b d Pt H B G d 68.3h ---???

? ????

?

???

??

?

??=μ （4）

式中，μ为气体的粘度，kg/m ·s ，B 为翅片节距，H 为翅片高度，Pt 为横向管间距。式(4)考虑了几乎所有的翅片管束的几何条件，因而适用范围较大。对比计算和试验表明，顺排管束比叉排管束的阻力有明显下降，大约为叉排管束阻力的50％左右。

7. 结论

1. 国内外的大量实践证明H 鳍片管具有很多优点：节省空间、减轻重量、抗磨损、降低工质和通风阻力、降低造价等。

2. 如果从降本增效的角度考虑，特别适和超临界和超超临界机组采用。

3. 对于需要增加省煤器受热面的改造项目，这是一个较好的选择。

4. 对于CFB 锅炉，由于国外对于积灰特性没有积累足够的经验，建议慎重研究。