回轉式空氣預熱器漏風對大容量鍋爐]熱效率的影響探討

胡 偉，楊 凱，冉銘李旭升陳 燦張秀昌2

(1.國家能源集團江西電力有限公司，江西 南昌 330029；2.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；3.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

空氣預熱器是利用煙氣的熱量來加熱燃燒所需空氣以提高鍋爐熱效率的裝置。空預器性能對鍋爐熱效率的影響主要有兩個方面：一是排煙溫度。排煙溫度越低，鍋爐熱效率越高；二是漏風率。空氣預熱器有多種漏風形式，不同漏風形式對鍋爐熱效率影響不一樣。現代大型火電廠主要采用回轉式空氣預熱器，本文主要討論回轉式空氣預熱器(以下簡稱空預器)漏風率對鍋爐熱效率的影響。

1 空預器漏風對鍋爐熱效率的影響

1.1 空預器漏風形式

空預器漏風形式主要分為直接漏風和攜帶漏風。直接漏風是因煙氣、空氣之間靜壓差和動、靜體之間的間隙，正壓空氣通過間隙漏入煙氣中。直接漏風一般占空預器漏風的70%～80%；攜帶漏風是由回轉式空預器結構決定。空預器轉子在轉動過程中，一部分駐留在換熱元件中的空氣被攜帶到煙氣中，攜帶漏風與攜帶漏煙同時存在，攜帶漏風占空預器漏風的20%～30%。

直接漏風可分為冷端徑向漏風、熱端徑向漏風、旁路漏風、軸向漏風以及中心筒漏風。冷端徑向漏風未流經轉子，對空預器換熱不造成影響，占直接漏風的30%～50%；熱端徑向漏風是空氣經過加熱后從空預器熱端徑向漏入煙氣側，與進入空預器的煙氣混合后排出，占直接漏風的50%～70%[1]；軸向漏風也不流經轉子，不影響換熱；旁路漏風是空氣不被加熱而混入熱風，使空預器換熱效率有所下降。這些問題隨著旁路密封和軸向密封技術的發展得到了有效控制[2]。

1.2 空預器漏風對鍋爐熱效率計算的影響

空預器實際漏風較復雜，因此要分析不同形式漏風對鍋爐熱效率的影響需要分開進行。本文主要分析漏風量占比最大的冷端徑向漏風和熱端徑向漏風對鍋爐熱效率的影響。以某工程性能設計為例進行分析，該工程裝機容量2×1 000 MW，鍋爐為高效超超臨界參數變壓運行直流爐，配2臺四分倉回轉式空預器。空預器主要設計參數如表1所示。

表1 空預器主要設計參數

1.2.1 空預器冷端徑向漏風對鍋爐熱效率的影響

從空預器的漏風形式可知，冷端徑向漏風(也包括其他沒有參與換熱的冷風)是空氣未流經轉子，漏入煙氣側的空氣與煙氣混合，降低排煙溫度。ASME PTC4—2008第5章5-13.3闡述“對于有空氣預熱器的機組，空氣預熱器內的漏風除了降低排煙溫度外，沒有起到任何有用的作用。對于效率計算，空氣預熱器出口的煙氣溫度測量值必須修正到完全沒有漏風時的煙氣溫度”[3]。由此可見，ASME標準默認空預器漏風主要為冷端徑向漏風。表2是不同冷端徑向漏風率下鍋爐熱效率的變化。

表2 不同冷端徑向漏風率下鍋爐熱效率的變化

表2中設計漏風率工況下空預器進、出口氧量分別為2.75%和3.37%，空預器出口煙溫未漏風和漏風后排煙溫度分別為119.2℃和116.0℃。按照ASME計算要求修正到不漏風情況下(即空預器進、出口氧量均未變化)，排煙溫度為不漏風時排煙溫度，計算得到的鍋爐熱效率與設計漏風率工況鍋爐熱效率相當。隨著漏風率增加，排煙溫度降低，煙氣中氧量升高，干煙氣熱損失和空氣中水分引起的熱損失增加，燃料中水分和燃料中氫引起的熱損失減少，總排煙損失未變，最終計算鍋爐熱效率基本未發生變化。

1.2.2 空預器熱端徑向漏風對鍋爐熱效率的影響

空預器熱端徑向漏風是經空預器加熱后本應送入爐膛的的空氣漏入到煙氣側，隨煙氣排出空預器。熱端徑向漏風雖然對鍋爐熱效率有負面影響，但熱端漏風增加了流經空預器的煙氣量，提高了煙速同時也加強了換熱，但總體來說使鍋爐熱效率下降。隨著熱端徑向漏風量的增加，這部分熱量占燃料向鍋爐提供熱量比重增加，鍋爐熱效率降低。計算空預器熱端徑向漏風對效率的影響見式(1)，不同漏風率對鍋爐熱效率影響計算結果見表3(為了便于分析計算，將所有漏風均考慮為熱端徑向漏風)。

(1)

式(1)中，c—空氣從空預器入口溫度到排煙溫度之間平均比熱，J/(kg·K)；M1—空預器入口煙氣量，t/h；M2—空預器出口煙氣量，t/h；T1—空預器入口風溫，K；T2—排煙溫度(不漏風時)，K；Q—燃料向鍋爐提供的熱量，J/h。

由表3可知，隨著熱端徑向漏風率增加，對鍋爐熱效率影響增大。熱端徑向漏風率每增加1%，鍋爐熱效率降低約0.043%。設計工況漏風率為3.5%時，對效率影響為0.148%。空預器對鍋爐熱效率的實際影響小于0.148%，熱端徑向漏風占總漏風比例越小，對鍋爐熱效率影響越小。

表3 不同熱端徑向漏風率下對鍋爐熱效率的影響

空預器性能計算當熱端徑向漏風增加4%時，排煙溫度基本不變(一般小于0.3℃)。在實際運行中，將控制熱端漏風的空預器間隙控制系統投入前后的排煙溫度進行比較，基本和計算一致。由于熱端漏風造成煙氣量增加，因此盡管排煙溫度幾乎不變，排煙損失仍然有所增加。

2 考慮空預器漏風的鍋爐熱效率修正

由本文分析可知，性能設計未考慮熱端徑向漏風，僅考慮冷端徑向漏風，設計計算空預器漏風對鍋爐熱效率沒有影響。而實際運行中由于熱端徑向漏風對鍋爐熱效率造成影響，因此應對此損失進行修正，修正公式見式(2)。

η′=η+η″

(2)

式(2)中：η′—修正后鍋爐熱效率，%；η—實測鍋爐熱效率，%；η″—熱效率的修正值，%。

上式中η″熱效率的修正值可以通過空預器熱端徑向漏風對鍋爐熱效率修正曲線進行修正。以該工程為例，修正曲線見圖1。如果實測空預器漏風率為5%，熱端徑向漏風占總漏風比例為50%(一般取40%～60%)，那么熱端徑向漏風率為2.5%。由圖1可知，對鍋爐熱效率修正值約為0.105%。

圖1 空預器熱端徑向漏風率對鍋爐熱效率的修正值

3 空預器的選擇以及設計、安裝中的注意事項

通過本文案例分析可知，空預器漏風對鍋爐熱效率影響有限，按全部為熱端徑向漏風考慮，在設計漏風率3.5%下對鍋爐熱效率影響為0.148%。熱端徑向漏風占總漏風比例為40%～60%，實際空預器漏風率對鍋爐熱效率的影響為0.059 2%～0.088 8%，略大于排煙溫度每升高1℃對鍋爐熱效率的影響(約降低0.05%)。因此，在選擇空預器時，在考慮對鍋爐的熱效率影響時應考慮排煙溫度和漏風率。

選擇上應多考慮鍋爐配套廠家，因其更全面、整體地考慮了鍋爐本體性能和空預器換熱性能，煤種適應性強，有整體性能為保障，在此基礎上可不用修正空預器漏風對鍋爐熱效率這部分損失。如果選擇非鍋爐配套廠家的空預器，可能漏風率會控制得相對較低，但若過于考慮成本因素，蓄熱元件余量小，排煙溫度往往較高，煤種適應差，該情況在實際工程中并不少見。當鍋爐本體和空預器廠家不同時，空預器性能未達到設計值對鍋爐熱效率影響這部分損失，應該在鍋爐熱效率修正時予以考慮。

隨著技術的發展，大型電站鍋爐空預器漏風率已經低至3%～4%。空預器各主要漏風中，攜帶漏風由空預器結構所決定，無法避免。熱端徑向漏風一般可通過間隙自動跟蹤系統控制。要降低空預器整體漏風率須降低冷端徑向漏風，從設計、安裝上將冷端徑向漏風間隙預留更低，但投入成本較高，得到的收益有限。因冷端徑向漏風控制較低，除了降低整體漏風率之外，對鍋爐熱效率沒有影響，雖有利于降低廠用電，但增加了空預器運行電流，鍋爐遇到突發事件易造成空預器卡死進而導致MFT。因此，運行中既要注重經濟性，還要注重安全性，冷端間隙不宜預留過小，建議將空預器整體漏風率控制在5%左右較為合適。

4 結語

1)空預器漏風在性能計算中僅考慮冷端徑向漏風，冷端徑向漏風除了降低排煙溫度外，沒有起到任何作用；熱端徑向漏風對鍋爐熱效率有影響。本文案例分析表明：熱端漏風率每增加1%，鍋爐熱效率降低約0.043%。

2)空預器熱端徑向漏風一般占總漏風的40%～60%。在設計漏風率下對鍋爐熱效率影響為0.059 2%～0.088 8%，略大于排煙溫度每升高1℃時對鍋爐熱效率的影響。因此，空預器對鍋爐熱效率的影響應考慮排煙溫度和漏風率。

3)選擇空預器盡量選擇鍋爐配套廠家，因其能更全面考慮鍋爐本體性能和空預器換熱性能，煤種適應性強，有整體性能為保障。

4)性能計算中沒有考慮空預器漏風不達標對鍋爐熱效率的影響，但實際運行中可能存在這種情況造成鍋爐熱效率的額外損失。

5)空預器在設計、安裝時，冷端間隙預留應合理，避免運行中空預器電流過大，遇突發事情造成空預器卡死，威脅機組安全運行。建議空預器整體漏風率控制在5%左右。