回轉式空氣預熱器吹灰蒸汽參數研究

劉 君，薛燕輝，劉朝成

（東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

電站鍋爐系統中，回轉式空氣預熱器是最容易發生堵塞的設備。從實際運用來看，利用吹灰器進行吹掃是緩解堵塞的一個有效方法。目前，電廠主要采用蒸汽吹灰、聲波吹灰和燃氣脈沖吹灰三種方式[1]。由于回轉式空氣預熱器元件的特殊結構，聲波吹灰和燃氣脈沖吹灰收效甚微，而蒸汽吹灰是唯一行之有效的手段。

1 蒸汽吹灰的原理

蒸汽吹灰利用飽和水蒸氣膨脹做功的原理對發生堵塞的地方進行“物理沖洗”，以達到減輕堵塞的效果[2]。吹灰器的噴嘴如圖1所示，噴嘴結構為漸縮漸放形式，飽和蒸汽從母管中噴出經過自由膨脹，壓力和溫度從P0、t0降至P1、t1，其中P1為大氣壓力0.1 MPa。為了保證吹灰效果，防止蒸汽帶水損壞蓄熱元件，經過噴嘴后的蒸汽為飽和蒸汽溫度在100 ℃以上，同時有20 ℃的過熱度。因此出口蒸汽參數p=0.1 MPa、t≥120 ℃。此時，需要確定母管蒸汽參數，保證經過噴嘴的蒸汽為飽和蒸汽。

圖1 吹灰噴嘴結構

2 蒸汽參數模型建立

絕熱膨脹，即蒸汽管路由于覆蓋保溫層近似為與外界不發生熱量交換，可看作是絕熱[1]。水蒸氣在膨脹前后的狀態為，熱量q=0，膨脹的技術功等于焓降Wt=h1-h2、膨脹功W=u1-u2。可以從圖2的h-s圖對h和s進行求解，已知蒸汽壓力和h，s可反算溫度t1，也可以通過蒸汽在任一截面的流速公式反推h1，然后查表求得溫度。Cf1、Cf2為進出口截面上蒸汽流速，單位m/s；h1、h2為進出口截面的焓值，單位kJ/kg；s為熵。

圖2 h-S曲線

下面通過上述兩種方法分別推導需要的蒸汽壓力和溫度。

2.1 h-s曲線法

根據減壓閥經驗值，一般在噴嘴前母管中的蒸汽壓力為1.2 MPa。

通過h-s曲線表，已知標準大氣壓的定壓線和飽和線的交點為狀態2（噴嘴出口狀態）作定熵垂線（由于非完全理想狀態，近似垂線）。因此，它與1.2 MPa的等壓線求得交點，為狀態1（噴嘴進口狀態）。讀得h1=3 050 kJ/kg，根據p=1.2 MPa，可查表查出t=302 ℃[3]。

為了保證經過噴嘴后為飽和蒸汽，蒸汽母管中溫度需要大于302 ℃。考慮管路系統的散熱，推薦母管中蒸汽溫度在320～330 ℃。

2.2 蒸汽流動能量方程式法

由噴嘴進口狀態p=1.2 MPa、t=320 ℃，可知h2=3 089 kJ/kg。

蒸汽在漸縮漸放噴管的流速曲線特性，如圖3所示。

圖3 噴嘴流速圖

設計條件下，吹灰器噴嘴前參數為p1=1.2 MPa ，t1=320 ℃。假設流動過程為理想狀況，熵增為0，p1=1.2 MPa，t1=320℃，p2=0.1 MPa，pcr=p1[2/(k+1)]k(k+1)=1.2×0.546=0.652 MPa（過熱蒸汽絕對系數k取1.3）。

通過查蒸汽焓熵參數可知，h1=3 089 kJ/kg，hcr=2 923.72 kJ/kg[3]，h2=3 089 kJ/kg，cr=0.406 4 J/kg·K為 喉 部 流 速）；qm=Avr/cr=2×10-4×545.1/0.406 4=0.26 kg/s（qm為質量流量，A為喉部截面積）；V2=2(h1-h2)，A2=qmc2/V2=7.79×10-4m2（A2為出口截面積）。

計算結果表明，蒸汽進入濕蒸汽區域，理論出口截面積大于實際截面積（實際截面積為2.75×10-4m2），所以噴嘴實際上在“阻塞背壓”的工況下工作。阻塞背壓不能用熱力公式直接求得，用牛頓中值法取喉部壓力和出口壓力為初值可以求得阻塞背壓（0.2 MPa），具體參數為：p1=1.03 MPa，t=310 ℃，p2=0.2 MPa，h2=2 714.21kJ/kg ，c2=0.895 1 J/kg·K，V2=2(h1-h2)=846.3 m/s，A2=qmc2/V2=2.75×10-4m2。

根據經驗，氣流取速度系數k=0.92得到實際流速

由=2.716 kJ/kg，查表得t2=120 ℃[3]。該壓力下的飽和蒸汽溫度為100 ℃，因此還有20 ℃的過熱度，滿足吹灰要求，蒸汽不會帶水。

3 結 論

通過上述兩種方法可知，蒸汽吹灰參數的設計原則為需要吹灰器噴嘴前的溫度在壓力參數在1.2 MPa，310～330 ℃的蒸汽為吹灰汽源。

[1] 沈維道，童鈞耕.工程熱力學[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

[2] 孟凡君.鍋爐受熱面蒸汽吹灰的研究[J].鍋爐制造，1999，（1）：59-61.

[3] 嚴家騄，余曉福.水和水蒸氣熱力性質圖表[M].3版.北京：高等教育出版社，2015.