電站鍋爐空預器傳熱性能評價指標的研究

趙振宇

（內蒙古大唐國際托克托發電有限公司，內蒙古 呼和浩特 010206）

1 前言

電站鍋爐空預器布置在省煤器后，通過將鍋爐尾部煙氣中的熱量傳遞給燃燒所需要的空氣，起到節省燃料消耗、改善燃燒條件的作用，其結構形式主要分為管式、回轉式或管式，在大型電站鍋爐上主要采用回轉式，空預器已經成為電站鍋爐不可缺少的受熱面。空預器涉及煙氣與空氣之間的逆流傳熱，其核心性能是傳熱性能。評估空預器傳熱性能的好壞一般用空預器煙氣出口溫度，即排煙溫度來衡量。在部分空預器配套整機或改造項目的技術要求中，除排煙溫度外，還對空氣出口溫度，即熱風溫度也提出了要求，有的還對煙氣側效率也提出了要求。由于空預器性能考核試驗需要收集大量運行參數和修正計算，這些試驗參數獲取的難易程度與修正計算的復雜程度，很大程度上影響了試驗的精度和修正結果。本文主要研究這些性能指標之間的內在關聯和試驗參數獲取方法，探索設定單一傳熱性能考核指標的可行性，使得空預器性能考核試驗更具可執行性和可操作性。

2 空預器性能試驗標準的選用

空預器的性能考核試驗可采用ASME PTC 4.3《空預器性能試驗規程》與GB 10184-88《電站鍋爐性能試驗規程》兩個標準，其中GB 10184-88 標準對排煙溫度的修正，只考慮了進口風溫的變化，沒有考慮煙氣量、空預器X 比、煙氣入口溫度等參數發生變化時的修正，在新機組剛剛投運時的修正計算結果與ASME PTC 4.3標準尚較為接近，在機組投運數年后，由于燃煤變化、機組老化和局部改造等原因，其修正計算結果與ASME PTC 4.3 會產生較大偏差。王祝成等人也建議修改GB 10184-88 標準的部分條文，增加空預器進口煙溫偏差修正排煙溫度公式、空預器進口煙氣量偏差修正排煙溫度事項，以及增加空預器熱容比X 偏差修正排煙溫度事項，以使GB 10184-88 標準更具備可執行性。這兩種標準的計算方法有差異從而導致計算結果也有明顯不同，因此，空預器性能考核試驗需要事先明確采用的實施標準。目前階段在實際空預器性能考核試驗中，從反映空預器真實性能的角度出發，測試單位和電廠主要使用ASME PTC 4.3 標準。

3 排煙溫度和熱風溫度

典型回轉式空預器的傳熱方式如圖1 所示。

圖1 空預器的傳熱方式

熱煙氣自空預器上方的連接煙道進入轉子，從空預器下方的連接煙道流出，冷空氣則正好與之相反，從空預器下方進入轉子，從上方流出。回轉式空預器的轉子中安裝有大量的波浪形薄鋼板，一般稱為蓄熱片，如圖2 所示。

圖2 空預器蓄熱片

這些蓄熱片在煙氣側較高的溫度環境下完成蓄熱，通過轉子轉動到達空氣側時，再對溫度較低的空氣進行放熱，周而復始，空預器轉子轉動過程中實現了高溫煙氣向空氣的連續熱量傳遞。

回轉式空預器在結構上屬于逆流式換熱器，傳熱效率高，可適應溫差較大或者需要大量熱量傳遞的場景。圖3 顯示了空預器各流體溫度的變化方向。

圖3 空預器中各流體的溫度變化方向

大型空預器的空氣側通常還分成一次風和二次風兩個分倉，甚至3 個分倉（1 個一次風倉和2 個二次風倉），為方便分析，將空氣側按1 個分倉看待，將一、二次風的參數綜合起來取為1 個等效參數。煙、風進出口分別按ASME PTC 4.3 中的符號做出標記，其中煙氣出口在作傳熱分析時本應該使用漏風稀釋前的符號，現為簡明且不致引起錯誤起見，本文用代替。

煙氣側的放熱量為：

空氣側的吸熱量為：

由于散熱損失相比于傳熱量很小，可忽略不計，煙氣側的放熱量與空氣側的吸熱量總是相等的，即存在熱平衡關系：

不論工質空預器內傳遞多少熱量，熱平衡都客觀存在，傳熱量高則換熱器在高水平上處于熱平衡，傳熱量低則在低水平上處于熱平衡。能傳遞多少熱量，取決于空預器的傳熱能力：

其中，K 為換熱元件的傳熱系數；A 為換熱元件的傳熱面積；為傳熱溫差，使用對數平均溫差：

空預器的傳熱量與煙氣的放熱量和空氣的吸熱量也是相等的，即：

這兩個方程聯立就構成了空預器傳熱的方程組，其中共有10 個變量：傳熱面積A、傳熱系數K、煙氣流量、煙氣比熱、空氣流量、空氣比熱、煙氣進口溫度tG14、煙氣出口溫度tG15、空氣進口溫度tA8和空氣出口溫度tA9。當一臺空預器已完成設計，需要使用一些指標對其傳熱性能進行評價時，其傳熱面積A、傳熱系數K 是空預器本身的參數，是確定的，煙風流量和、煙風比熱和，以及煙氣進口溫度tG14和空氣進口溫度tA8是其使用的邊界條件，也是確定的，即有8 個變量是已知的，通過方程組可以求出煙氣出口溫度tG15和空氣出口溫度tA9，這兩個參數即可以作為評價傳熱性能的指標。如果在設計邊界條件下實際空預器的排煙溫度高于設計值，或者實際的熱風溫度低于設計值，就說明實際空預器的傳熱性能沒有達到設計要求。

雖然排煙溫度和熱風溫度都可以作為評價空預器傳熱性能的指標，但它們兩個并不是互相獨立的變量，而是存在內在聯系。從熱平衡方程可知，當排煙溫度tG15確定后，熱風溫度tA9也就確定了，反之亦然，因此，只使用其中一個參數就可以對空預器的傳熱性能做出評價。

空預器出口熱空氣處于高溫且正壓的環境，如常見的采用冷一次風正壓直吹式制粉系統的機組，空預器一次熱風側靜壓一般會在8kPa 以上，風溫超過280℃，測試人員在操作測溫和測壓設備時需要做好隔熱防護，以防止熱風涌出造成灼傷。相比而言，空預器煙氣出口段處于負壓環境，煙氣溫度一般在150℃以下，溫度相對較低，測量排煙溫度時更加安全，從測量方便和安全的角度來考慮，評價空預器傳熱性能的指標采用排煙溫度更具備實際可操作性。

需要注意的是，實際空預器在運行時不可避免地會偏離設計條件，例如，煙氣進口溫度tG14會因為燃煤成分、火焰中心、分級燃燒等運行條件的的影響而發生改變，空氣進口溫度tA8受環境溫度的影響而發生改變，通過空預器的煙氣流量和空氣流量受燃煤和爐膛氧量的影響而發生改變，這些改變都意味著空預器使用的邊界條件發生了變化，排煙溫度tG15必然也會隨之變化，因此，不能用實際運行的排煙溫度直接對空預器進行評價，而是需要采用合適的計算方法，將實際的運行參數按設計邊界條件進行修正，用修正后的排煙溫度來評價。ASME PTC 4.3 標準提供了對排煙溫度完整的修正計算方法，迄今已使用60 多年，早已被行業普遍接受，因此使用排煙溫度作為評價指標更為可行。

如果采用熱風溫度來對空預器的傳熱性能進行評價，當邊界條件發生改變時，同樣也需要對熱風溫度進行修正。從熱平衡原理可知，如果排煙溫度修正后能夠合格，說明空預器的傳熱性能達到了設計要求，意味著熱風溫度修正后也會是合格的，因此也就無須對熱風溫度進行修正，反之，如果排煙溫度修正后不合格，熱風溫度修正后也必然不合格。ASME PTC 4.3 只給出了排煙溫度的修正方法，并沒有給出熱風溫度的修正方法。在空預器性能試驗過程中，也曾出現過空預器技術規范對熱風溫度提出了要求，但在性能考核時因拘泥于沒有熱風溫度修正的條文引起爭議的情況，從合理評價以及避免引起誤解的角度出發，只使用排煙溫度作為評價空預器傳熱性能的指標是完全可行的。

4 排煙溫度與煙氣側效率

按ASME PTC 4.3《空預器性能試驗規程》，煙氣側效率的定義是空預器煙氣側的溫降與最大傳熱溫壓之比：

煙氣側效率代表了煙氣的放熱量與最大可能的傳熱量的趨近程度，也表示了空預器傳熱能力的大小，因而也可以作為評價空預器傳熱性能的指標。從公式中可以看出，其中的煙氣入口溫度tG14和空氣入口溫度tA8都屬于邊界條件，是確定的，因此煙氣側效率最終還是取決于排煙溫度tG15，也即煙氣側效率與排煙溫度也不是互相獨立的變量，它可以看成排煙溫度的導出量。

ASME PTC 4.3 標準中推薦的煙氣側效率計算方法容易受到流經空預器的空氣量與煙氣量、空預器進口空氣溫度及空預器進口煙氣溫度等因素的影響，因此需要修正，才能與設備生產廠家的性能保證值進行比較。如果使用煙氣側效率作為評價傳熱性能的指標，當邊界條件發生改變時，同樣也需要將偏離的條件進行修正。從煙氣側效率的含義看，只要將公式中的煙氣入口溫度tG14和空氣入口溫度tA8取作設計值，也即設計的邊界條件，將排煙溫度tG15取作修正后的值，計算出的結果就是修正后的煙氣側效率。

由于煙氣側效率與排煙溫度本質上是一致的，ASME PTC 4.3 也沒有提供煙氣側效率的修正條文。同樣出于避免在項目執行中產生爭議的考慮，相比而言，選定排煙溫度而不是煙氣側效率作為空預器傳熱性能的評價指標，更具備可執行性。

5 結語

通過空預器的熱平衡方程和傳熱過程分析，排煙溫度、熱風溫度和煙氣側效率都可以作為評價空預器傳熱性能的指標，但它們不是互相獨立的參數，而是存在內在聯系的，一旦一個參數確定了，另外2 個參數也會隨之確定。

空預器的排煙溫度測量起來更加方便和安全，而且當邊界條件發生偏離時，ASME PTC 4.3 給出了完備的修正計算方法，更適合作為評價空預器傳熱性能的指標。熱風溫度、煙氣側效率從傳熱原理上講也可以進行修正，但由于標準中沒有給出具體條文，為避免在項目執行中引起爭議，不建議采用。