空氣預(yù)熱器一次風(fēng)阻力高原因分析及對(duì)策

宋 峰

馬鞍山當(dāng)涂發(fā)電有限公司

0 前言

我國(guó)“富煤貧油少氣”的資源格局決定了我國(guó)是一個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家，相應(yīng)的發(fā)電能源也是以煤為主。受我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)、國(guó)家環(huán)境政策和技術(shù)發(fā)展等眾多因素的影響，火電在我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中處于主導(dǎo)地位[1]。

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器普遍應(yīng)用于大型電站鍋爐，是一種回收尾部煙氣熱量的熱交換器。它利用鍋爐尾部煙氣的余熱加熱燃燒所需的空氣，降低排煙溫度，以此來(lái)提高鍋爐效率?；剞D(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的工作原理是通過(guò)熱煙氣和冷空氣分別與放置在轉(zhuǎn)子中的傳熱元件換熱實(shí)現(xiàn)的。傳熱元件隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷地與煙氣和空氣進(jìn)行熱交換。如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器工作原理示意圖

燃料成本過(guò)高是火力發(fā)電企業(yè)出現(xiàn)虧損的主要因素之一。大量摻燒價(jià)格相對(duì)較低的褐煤，可以有效降低發(fā)電成本。但是，褐煤水分較大，熱值低，大量摻燒會(huì)引起制粉系統(tǒng)干燥出力不足，煤粉管道堵塞、一次風(fēng)風(fēng)機(jī)出力不足，風(fēng)機(jī)失速等問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 設(shè)備概況

某660 MW超臨界機(jī)組鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。設(shè)計(jì)煤種和校核煤種均為準(zhǔn)南煙煤。在鍋爐尾部布置兩臺(tái)轉(zhuǎn)子直徑為Φ14 236 mm 的三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，一次風(fēng)角度為50°，旋轉(zhuǎn)方向“煙氣→二次風(fēng)→一次風(fēng)”，傳熱元件高度熱端為1 400 mm，冷端為1 000 mm。

為降低發(fā)電成本，鍋爐需大量摻燒水分大、熱值低的劣質(zhì)煤，并且一臺(tái)空氣預(yù)熱器傳熱元件損壞嚴(yán)重，目前空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)阻力約2.8 kPa，一次風(fēng)阻力約2.7 kPa,二次風(fēng)阻力約1.5 kPa。由于一次風(fēng)阻力過(guò)高導(dǎo)致一次風(fēng)風(fēng)機(jī)出力嚴(yán)重不足，產(chǎn)生風(fēng)機(jī)失速等問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、安全性。

2 空氣預(yù)熱器一次風(fēng)阻力過(guò)大原因分析

2.1 摻燒褐煤導(dǎo)致一次風(fēng)量增大

鍋爐摻燒大量高水分的褐煤，為提高制粉系統(tǒng)干燥出力，使一次風(fēng)量增加了約47%。流經(jīng)空氣預(yù)熱器的一次風(fēng)量增大，使一次風(fēng)流速增大，導(dǎo)致一次風(fēng)阻力大幅增大。

從下文式（1）可以看出，阻力與流速的平方成正比，因此流經(jīng)空氣預(yù)熱器的一次風(fēng)量大幅增加是導(dǎo)致空氣預(yù)熱器一次風(fēng)阻力增大的主要原因。

2.2 氨逃逸導(dǎo)致空氣預(yù)熱器傳熱元件堵塞

由于鍋爐脫硝設(shè)備出口氨逃逸量增加，未參與脫硝反應(yīng)的氨氣與SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨，硫酸氫銨在146～207 ℃溫度范圍內(nèi)為液態(tài)，這個(gè)區(qū)域被稱為ABS區(qū)域。氨逃逸率越高，硫酸氫銨凝結(jié)的上限溫度也會(huì)升高。ABS 區(qū)域超過(guò)了原設(shè)計(jì)控制范圍（冷段），對(duì)空氣預(yù)熱器冷段和中溫段下部的傳熱元件表面產(chǎn)生灰分黏附、堵塞了元件的氣流通道。液態(tài)硫酸氫銨捕捉飛灰能力極強(qiáng)，會(huì)嚴(yán)重加劇空氣預(yù)熱器受熱面的積灰，同時(shí)造成預(yù)熱器的腐蝕等，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器阻力較大，影響預(yù)熱器的換熱及機(jī)組的正常運(yùn)行。

3 減小空氣預(yù)熱器一次風(fēng)阻力的措施

通過(guò)對(duì)一次風(fēng)阻力較大的原因分析，可以采取以下措施來(lái)減小空氣預(yù)熱器一次風(fēng)阻力。

3.1 擴(kuò)大一次風(fēng)倉(cāng)角度

考慮到一次風(fēng)量增大，一次風(fēng)機(jī)出力不足，而二次風(fēng)機(jī)處理還有余量，因此可以擴(kuò)大空氣預(yù)熱器一次風(fēng)倉(cāng)角度，增大一次風(fēng)倉(cāng)流通面積，從而減小一次風(fēng)阻力。

重新設(shè)計(jì)空氣預(yù)熱器一次風(fēng)倉(cāng)角度，由原來(lái)50°增大到65°，如圖2所示。一次風(fēng)倉(cāng)角度由原來(lái)50°增大到65°后，一次風(fēng)流通區(qū)域面積增加了約43%，可以有效減小一次風(fēng)阻力。

圖2 擴(kuò)大一次風(fēng)倉(cāng)角度示意圖

同時(shí)需要對(duì)煙道、擋板、膨脹節(jié)等，包含以下附屬配套件的消缺升級(jí)：外殼裝配件、空氣側(cè)副支座、冷熱端連接板、冷熱端中間梁改造、冷熱端一次風(fēng)中心部分、冷熱端一次風(fēng)側(cè)扇形板、導(dǎo)向軸承座、風(fēng)道改造(含膨脹節(jié)、擋板更換等)、三向密封片（冷端徑向密封片全部更換，其余損壞的進(jìn)行更換調(diào)整,熱端徑向密封片不含在內(nèi)）、空氣預(yù)熱器頂部泄漏點(diǎn)修補(bǔ)及澆注料恢復(fù)等。

3.2 冷端采用封閉大通道波形的傳熱元件

冷端傳熱元件采用封閉大通道波形的搪瓷元件（如圖3所示），可以提高吹灰穿透深度，防止吹灰和清洗能量耗散，使傳熱元件更易于沖洗，有利于緩解阻力上升的趨勢(shì)。

圖3 封閉大流道傳熱元件示意圖

若條件允許還可以提高冷端元件高度，增加空氣預(yù)熱器對(duì)氨逃逸率的耐受能力，有利于降低硫酸氫銨堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 空氣預(yù)熱器阻力計(jì)算方法

回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器的阻力計(jì)算方式是較為成熟的計(jì)算方法。考慮在回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器內(nèi)部，實(shí)際上流體是在換熱元件片之間的通道中流動(dòng)，蓄熱元件表面為強(qiáng)化換熱，軋制成各種形狀，以達(dá)到破壞流動(dòng)邊界層，強(qiáng)化換熱的目的。在對(duì)這些通道進(jìn)行計(jì)算時(shí)，蓄熱元件流通阻力由沿程流通阻力、流通截面縮放局部阻力和氣體膨脹流通阻力三部分組成，其中主要是沿程流通阻力。

蓄熱元件層的流通阻力計(jì)算式見(jiàn)式（1）。

式（1）中，

Ke——流量變化調(diào)節(jié)系數(shù)

f——阻力系數(shù)

H——蓄熱元件物理層高度,m

Hd——該段蓄熱元件當(dāng)量直徑,m

從式（1）可見(jiàn)，阻力大小和氣流的流通面積、傳熱元件的阻力系數(shù)和流速關(guān)系較大。

5 改造前后性能指標(biāo)對(duì)比

擴(kuò)大空氣預(yù)熱器一次風(fēng)倉(cāng)角度后，A、B 側(cè)空氣預(yù)熱器的一次風(fēng)側(cè)阻力均有明顯下降，同時(shí)煙氣側(cè)阻力也有大幅下降，對(duì)比改造前的空氣預(yù)熱器運(yùn)行工況，A 側(cè)空氣預(yù)熱器的一次風(fēng)側(cè)阻力降低了966 Pa，B 側(cè)空氣預(yù)熱器的一次風(fēng)側(cè)阻力降低了696 Pa，平均降幅大于800 Pa，有效解決了目前機(jī)組一次風(fēng)風(fēng)機(jī)出力不足的問(wèn)題。

擴(kuò)大空氣預(yù)熱器一次風(fēng)倉(cāng)角度后與改造前的各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

表1 660 MW負(fù)荷改造前后的空氣預(yù)熱器各項(xiàng)性能指標(biāo)比較

表2 495 MW負(fù)荷改造前后的空氣預(yù)熱器各項(xiàng)性能指標(biāo)比較

6 經(jīng)濟(jì)收益分析

改造后空氣預(yù)熱器A 漏風(fēng)率為4.1%，空氣預(yù)熱器B 漏風(fēng)率為4.96%，平均為4.53%，較改造前的8%下降了3.47 個(gè)百分點(diǎn)。漏風(fēng)率降低，空氣預(yù)熱器的煙風(fēng)流動(dòng)阻力降低。引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、脫硫增壓風(fēng)機(jī)的耗電量減少，空氣預(yù)熱器傳熱效果也得到改善。改造后風(fēng)機(jī)的節(jié)電收益十分可觀。按漏風(fēng)率每降低1%影響煤耗相應(yīng)降低0.055 g/kWh 計(jì)算[2]，降低漏風(fēng)率3.47%可以降低燃料量0.19 g/kWh，按年運(yùn)行5 000 h計(jì)算，可以節(jié)約標(biāo)煤950 t/年，按標(biāo)煤價(jià)800 元/t 計(jì)算，節(jié)約費(fèi)用76 萬(wàn)元。

由表1可見(jiàn),按照原設(shè)計(jì)邊界條件,改造前后一次風(fēng)阻力降低了192 Pa, 二次風(fēng)阻力增加了172 Pa,對(duì)風(fēng)機(jī)的總耗電量基本不變,但是緩解了一次風(fēng)風(fēng)機(jī)出力不足問(wèn)題。

從實(shí)際運(yùn)行情況看，由于煤種的變化，改造前一次風(fēng)機(jī)出力不足，機(jī)組無(wú)法達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，改造后機(jī)組能達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。在495 MW 負(fù)荷下，改造后一次風(fēng)阻力降低了4 460 Pa，二次風(fēng)阻力降低了1 230 Pa，煙氣阻力下降了2 930 Pa，空氣預(yù)熱器總阻力降低了8 620 Pa?？諝忸A(yù)熱器的煙風(fēng)流動(dòng)阻力降低，引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、脫硫增壓風(fēng)機(jī)的耗電量減少，空氣預(yù)熱器傳熱效果也得到改善。改造后風(fēng)機(jī)的節(jié)電收益十分可觀。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)擴(kuò)大空氣預(yù)熱器一次風(fēng)倉(cāng)角度，降低了一次風(fēng)阻力，有效降低了風(fēng)機(jī)電耗，解決了目前機(jī)組一次風(fēng)風(fēng)機(jī)出力不足的問(wèn)題，滿足機(jī)組大量摻燒高水分褐煤的需求，在提高了機(jī)組可靠性的同時(shí)降低了能耗，為企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)收益。