135 MW循環流化床鍋爐空氣預熱器選型分析

翟永軍

（太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030021）

引言

在大型鍋爐中，空氣預熱器是不可或缺的重要部件。作為利用鍋爐尾部煙氣的熱量來預熱空氣，提高鍋爐效率的一個重要設備，空氣預熱器的效能對機組效率有很大影響。隨著循環流化床鍋爐的發展，空氣預熱器也越來越受到重視。由于循環流化床鍋爐的特殊性，其風壓比煤粉爐明顯高。尤其是鍋爐的大型化及大容量化，空氣預熱器設計的好壞直接影響到整個鍋爐的安全穩定運行。原則上，空氣預熱器的選型應在鍋爐總體方案設計時進行綜合技術經濟比較，得出最佳方案[1]。

本文以一臺135 MW超高壓中間一次再熱循環流化床鍋爐為例，分別按立式管式空氣預熱器和臥式管式空氣預熱器進行性能計算，對計算數據及結構數據做比較分析，并在目前管式空氣預熱器常出現問題的基礎上，對兩種不同結構型式空氣預熱器進行簡單的討論。

1 分析比較條件界定

135 MW超高壓中間一次再熱循環流化床鍋爐采用單汽包自然循環、集中下降管、爐膛全膜式水冷壁、絕熱式旋風氣固分離器、尾部豎井煙道、平衡通風、循環流化燃燒方式，整體呈型布置。鍋爐主要由汽包、懸吊式全膜式水冷壁爐膛、絕熱式旋風分離器、U型返料回路以及豎井對流受熱面組成。

為了能夠方便分析立管式和臥管式兩種布置結構，在做性能計算之前預先制定了前提條件：將空氣預熱器作為單獨個體來考慮，其余結構做為一個整體，進行一次計算。在都能達到鍋爐所要求性能情況下，得出兩種型式的結構數據及熱力性能參數。

根據結構計算數據和熱力計算數據進行135 MW循環流化床鍋爐空氣預熱器結構設計。該鍋爐尾部煙道尺寸為7 020 mm×12 360 mm，空氣預熱器的空間布置需在這個區域進行考慮。

2 性能設計比較分析

2.1 傳熱系數

從熱力性能計算的數據結果來看，立管式空預器總傳熱系數低于臥管式。由于傳熱系數的差異，立管式空預器受熱面積相當于臥管式空預器的1.45倍之多。這僅僅是理論計算數據，如果考慮實際運行的話，由于積灰、漏風等原因，傳熱系數會有所下降，空預器所需要的受熱面積也會有所增加。

2.2 煙風阻力

從煙風阻力計算結果看，煙氣側阻力兩者比較接近，而在空氣側，立式管式空氣預熱器要遠遠大于臥式管式空氣預熱器。這樣鍋爐如果按立式管式結構設計空氣預熱器時，將來鼓風機的選取參數會非常大，廠用電率也會大大增加。

2.3 低溫腐蝕

導致管式空氣預熱器低溫腐蝕的原因主要有兩個，第一是腐蝕源；第二是腐蝕條件。

臥管式空預器煙氣在管外沖刷，對流換熱系數大，對管子的加熱較強；空氣在管內縱向沖刷，對流換熱系數較小，對管子的冷卻較弱，這樣管壁溫度可以高一些，立管式正好相反。同條件下，臥式比立式管子壁溫可高出20~30 ℃。

空氣預熱器低溫腐蝕最嚴重的部位是煙氣出口處，采用臥式布置時，腐蝕嚴重的是下部幾排管子，檢修時只需要換下部幾排管子，而立式布置時腐蝕的位置是整個管箱的所有管口，需要更換整個管箱。

因此在防止低溫腐蝕方面，臥管式空氣預熱器比立管式占有一定的優勢，可以減小檢修的勞動強度，保證鍋爐燃燒效果。

2.4 積灰

積灰方面，臥管式比立管式具有優勢。立管式空預器由于煙氣阻力的關系，流速不能選得太高，加上煙氣流通截面小，極易造成堵灰現象。而臥管式空預器雖然煙氣流速相對較高，但由于管子采用順列布置，煙氣流通截面大，再加上管子直徑偏大，同樣存在嚴重的積灰搭橋現象。優勢在于臥管式空氣預熱器產生積灰后，處理難度要小得多，再加上臥管式在低溫腐蝕方面占有優勢，切斷了由于低溫腐蝕造成的積灰產生源。在條件允許的情況下，臥管式空氣預熱器結構更值得推薦。

2.5 漏風

隨著鍋爐的大型化及大容量化，對于風壓要求也變得更高，就以135 MW級別鍋爐為例，一次風壓高達15 000~20 000 Pa，空氣預熱器風煙兩側的壓差也高達18 000~23 000 Pa。這樣情況下，臥管式比立管式占有優勢。臥管式布置，空氣在管內流動，對于空氣泄漏問題上更容易密封，如采用順列排列方式還可以減輕飛灰對管子的磨損[2]。

另外，對于管式空氣預熱器來說，煙氣與空氣之間易產生泄漏的主要地方是管子與管板間的間隙以及聯通箱護板間隙。立管式和臥管式雖然布置不同，但在此部分的結構上較類似，且在密封處理上所采用的措施也基本相同。

3 結構設計比較分析

3.1 布置高度

影響空預器選型的第一條原則是考慮尾部煙道中空氣預熱器的安裝空間。以480 t/h超高壓中間一次再熱循環流化床鍋爐為例：如采用立管式結構布置，整體為五流程，布置高度達到20 550 mm；如采用臥管式結構布置，一、二次風上、下分層交錯，整體為三流程，布置高度達到12 930 mm?？梢钥闯?，立管式空預器的高度比臥管式要高得多。如采用立管式結構，整個鍋爐標高要整體往上抬，無論從經濟性還是整體布置上，應該說都是非常不合理的。在這種情況下，應該首先考慮采用臥管式空預器。

3.2 膨脹

立管式空預器受熱時向上膨脹，對于垂直方向膨脹考慮較多，通常采用管箱和煙風道之間設置膨脹節、管子與護架之間設置小膨脹節的型式來處理。膨脹節一方面解決膨脹問題，一方面防止熱煙氣、冷空氣互竄。

但臥管式空預器設計時，與立管式結構正好相反，對于水平方向膨脹考慮較多。1）管箱重量較大，水平方向周圈設置整體膨脹中心，通過管板加雙層墊板的方式直接將管板放在橫梁上。2）對于管子與護架間的膨脹，采用了在管箱縱向增設小膨脹節的方式，極大地改善了管箱的工作條件，對管箱的使用壽命也有了一定的保證。此結構既保證了膨脹的作用，又具有密封作用。但是此處的膨脹節占去了連通箱與管板之間的連接空間，使得連通箱與管板連接強度大大下降。管箱的體積龐大，帶來的是連通箱體積增大，雖然從其它方面對此采取了一些加強措施，但仍有存在問題的隱患。

3.3 支撐

對于立管式空預器的支撐，設計上比較容易處理，管板水平布置，直接放在兩側支撐梁上。計算時將下管板簡化為一個簡支梁的模型。

但是臥管式空預器受到很大的限制，主要有以下幾方面：

1）管子水平布置，管板呈垂直狀態，支撐在支撐梁上。由于管箱管板的位置限定，導致支撐梁的位置被限定，上下管箱之間的布置及連接方式變得難以處理。受支撐梁的影響，管箱出廠時必須事先焊很多的折板，作為密封之用，否則現場無法進行施工。這無形中加大了設計及廠內制造的成本。

2）管子水平布置，考慮到支撐強度，在選用管材規格及管板厚度時非常慎重。同時由于煙道尺寸較大，管子長度也相應較長，應考慮是否增加中管板，并采用三點支撐方式。但是，三點支撐方式使得本來就難以布置的連接煙道結構更加復雜。這樣，無論是結構還是密封上都存在著很大的隱患。

4 結語

1）135 MW循環流化床鍋爐空氣預熱器選型時，考慮到尾部煙道中布置空間限制，應該首先考慮采用臥管式結構。

2）立管式空預器結構簡單，具體布置時也比臥管式容易實現，而臥管式受本身結構的限制，在膨脹、支撐等問題上變得非常復雜及難處理。

3）在135 MW循環流化床鍋爐設計中，在性能方面，臥管式空預器要優于立管式。根據本文傳熱系數和工質流速的計算結果，臥管式空預器也比較容易解決低溫腐蝕、積灰及漏風等問題。

[1] 馮俊凱.循環流化床燃燒鍋爐正常運行的規律[J].能源研究與信息,2000(1):1-6.

[2] 呂俊復,張建勝,岳光溪.循環流化床鍋爐運行與檢修[M],北京:中國水利水電出版社,2003.

[3] 侯益銘,霍國生.兩種空氣預熱器密封技術比較[J].電力技術,2003,18(3):248-250.