350 MW機組鍋爐可翻轉暖風器的設計改造

張 欣，紀 游，閆承先

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱150030)

350 MW機組鍋爐可翻轉暖風器的設計改造

張 欣，紀 游，閆承先

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱150030)

為了解決某廠6×350 MW機組鍋爐運行時存在的低溫腐蝕問題，分析了固定式暖風器存在問題的原因，提出了將原鍋爐二次風暖風器改造為翻轉式暖風器的改造方案，將翻轉式暖風器重新進行設計和校核計算，通過試驗得到了翻轉式暖風器改造前后運行情況測試分析結果。試驗結果表明，某廠6×350 MW機組暖風器經過改造后，降低了暖風器停用期間的風道阻力和風機耗電量，提高了進入空氣預熱器的一、二次風溫度，減少了空氣預熱器受熱面的低溫腐蝕，提高了鍋爐效率及經濟效益。

鍋爐；暖風器；6×350 MW機組；改造

目前，中國國內火力發電機組正向節能減排的方向發展，這對機組鍋爐的使用性能提出了更高的要求。在鍋爐燃燒過程中，會產生大量的高溫煙氣，空氣預熱器吸收煙氣中熱量，降低了排煙溫度，提高了燃燒的風溫和鍋爐效率。當冬季冷風直接進入空預器進行熱交換時，易發生煙氣因低溫結露而帶來的腐蝕與堵灰。鍋爐暖風器是防止鍋爐低溫腐蝕的重要鍋爐輔機設備。在冬季氣溫較低、鍋爐啟動及低負荷運行期間，蒸汽暖風器能將外界空氣溫度升高一定幅度后再送入鍋爐空氣預熱器，具有良好的控制鍋爐低溫腐蝕功能[1]。由于鍋爐暖風器在產品本體性能設計、車間加工制作以及系統疏水設計缺陷等方面存在一些問題，使鍋爐暖風器的運行性能達不到預期要求，會對現有尾部煙道的設備造成一定影響。本文針對某廠6×350MW機組鍋爐暖風器存在的問題提出了改造方案，分析其改造方案的可行性，對改造后暖風器進行了節能測試，并用風機改造前后功率對比結果驗證了翻轉式暖風器改造方案的可行性。

1 固定式暖風器存在的問題

目前國內常用的風道固定式暖風器運行時存在如下問題：

1) 暖風器本體容易泄漏，造成空氣預熱器灰堵現象嚴重。

2) 暖風器本體振動大、水擊現象嚴重，造成系統無法正常投運。

3) 部分結構暖風器管束冬天容易出現凍管結冰現象，導致管束凍裂。

4) 暖風器管束本體灰堵嚴重，增加了通風阻力，造成鍋爐負荷下降或增加風機出力，嚴重影響安全生產。

5) 暖風器在不使用時提高了送風機的壓頭，消耗了大量的額外電能。

2 暖風器改造方案

為了減少暖風器停用期間風機的耗電量，減輕積灰及低溫腐蝕的現象，將原鍋爐二次風暖風器改造為翻轉式暖風器，根據現有的設備情況確定改造方案，并對翻轉式暖風器重新進行設計和校核計算。

空氣達到預定溫度所需熱量為

Q=V·C·t

(1)

式中：V為風道總風量，m3/h；C為容積比熱，kcal/m3；t為溫升，℃。

所需換熱面積為

(2)

式中：k為暖風器傳熱系數，kcal/m3·℃·h，通過平均風速W查圖獲得Δt為對數平均溫度，其中

(3)

式中：Δtmax、Δtmin為受熱兩端溫差中最大和最小值；Ψ為修正值，一般取0.97。

在實際計算過程中，換熱面積安全系數取1.2～1.25。 350 MW機組暖風器改造計算結果如表1所示。

表1350MW機組暖風器計算結果

Table1350MWunitairheatercalculationresults

計算參數數值風道尺寸/mm4000×4028入口風量/(kg．h-1)336996蒸汽壓力/MPa1．3蒸汽溫度/°C220入口風溫/°C-9．6出口風溫/°C70進出口平均風溫的空氣定壓比熱/(kJ．(kg．k)-1)1．004對數平均溫壓/K158．08需要的熱量/(kJ．h-1)26932181．13熱功率/kW7481．16計算需求換熱面積/m2752．61實際選用換熱面積/m2899．99換熱面積裕度1．2暖風器風側阻力/Pa261．62蒸汽消耗量/(kg．h-1)12626．96

根據暖風器設計計算結果確定換熱面積等參數。在暖風器安裝過程中，除了對現有的設備進行拆除，需要對現有的風道進行加固，便于轉軸的固定，盡量保持現有的疏水和進氣系統，只對本體部分進行改造。

3 暖風器的構成、設計理念及節能原理

3.1 翻轉式暖風器構成

3.1.1 翻轉暖風器片組并聯布置

翻轉暖風器片組并聯布置如圖1所示。

圖1 翻轉暖風器片組并聯布置

3.1.2 翻轉式暖風器前封板

翻轉式暖風器進汽系統側封板主要起承受加熱器的旋轉的作用。包括進汽管和法蘭，結構如圖2所示。

圖2 翻轉式暖風器進氣側結構

3.1.3 翻轉式暖風器后封板

翻轉式暖風器疏水系統側的封板，主要起承受加熱器的旋轉。包括旋轉操作執行器、疏水管和法蘭、加熱器水平限位裝置，結構如圖3所示。

3.2 設計理念

目前，國內電廠大多數暖風器布置方式為垂直風道臥式布置，結構采用傳統的多管程式暖風器，布置極為不合理，造成了暖風器傳熱管束有兩種熱脹冷縮現象：一種是整體熱膨脹，由管內工質溫度引起；另一種是管排間的熱膨脹，主要由管外空氣進出口溫度不同引起。

圖3 翻轉式暖風器輸水側結構

傳統結構設計考慮了整體熱膨脹，沒有考慮管排間的熱膨脹，此熱膨脹在結構上不能吸收，導致在薄弱的焊縫處拉裂，造成泄漏事故。泄露的發生導致蒸汽或高壓水進入空預器，造成了空預器的堵灰問題發生[2]。從暖風器本體結構進行分析，由于疏水口不在暖風器的最低點，因此暖風器內存在永遠疏不掉的水，這些水過冷后又與熱的汽水熱交換，反復混合，使有些結構產生的水擊現象相當嚴重。

在冬季鍋爐停運時，疏不掉的積水就會結冰，形成所謂的暖風器結冰現象[3]。翻轉式暖風器的設計理念是針對目前電廠臥式暖風器本體存在的諸多問題，綜合考慮系統的整體膨脹和熱膨脹，采用單管程翅片換熱管布置方式，減少了暖風器本體設備的焊縫，避免了焊縫不合格以及碰撞不均勻造成焊縫處容易破裂的情況。同時，在暖風器本體采用了進氣側略高、輸水側偏低的呈約5°傾斜布置，徹底解決了本體設備中積水的問題，減少設備水擊現象發生，杜絕了因為本體積水導致結冰裂管的現象。翻轉式暖風器的這種設計方式具有節約電、煤、油以及使用方便的優點，有效解決了暖風器運行期間積灰、堵雜物的難題。

翻轉式暖風器工作狀態結構如圖4所示。

圖4 翻轉式暖風器工作狀態

翻轉式暖風器非工作狀態結構如圖5所示，此時暖風器風阻力為“0”，可以節約風機電能。

圖5 翻轉式暖風器非工作狀態

3.3 節能原理

風機公稱輸出功率是指風機單位質量功與質量流量的乘積，或進口容積流量、壓縮性修正系數k和風機壓力的乘積[4],即

Pu=qmyFs≌qvsg1pfkp

(4)

式中：Pu為風機空氣功率，kW；qm為風機質量流量，kg/s；yFs為風機單位質量凈功，J/kg；qvsg1為風機流量，m3/s；pf為風機壓力，Pa；kp為壓縮性修正系數。

風機壓力為

pf=pe+pd(Fm)

從式(4)可以看出，風機公稱輸出功率(Pu)與風機壓力(pf)成正比。由于風機壓力(pf)隨風機靜壓(pe)的變化而變化，因此，在相同風機出口壓力條件下，降低風機入口阻力即降低風機靜壓(pe)能夠降低風機所需的空氣功率，起到節能降耗作用。

圖6 軸流風機特性曲線

動葉可調軸流風機特性曲線如圖6所示。從圖6可以看出，當翻轉式暖風器處于非工作狀態時，相當于降低管道系統阻力，即管道系統阻力特性曲線由阻力曲線2變為阻力曲線1。在相同流量條件下，可以調小風機動葉角度，降低風機電耗，這與式(4)理論計算相一致。

4 暖風器改造結果分析

對翻轉式暖風器改造前后運行情況進行測試，各項指標對比如表2所示。

表2 改造前后各項指標對比

改造前后差壓及功率對比如圖7所示。

圖7 改造前后參數對比

從風機改造前后功率對比情況可以看出：

1) 二次風暖風器A、B側暖風器實際運行差壓高達271.9 Pa、253.2 Pa，遠高于原設計風量下設計差壓180 Pa。改造后A、B側暖風器停運豎立差壓分別下降了256.6 Pa、239 Pa，即改造后僅為15.3 Pa、14.2 Pa，平均降低幅度為94%。

2) 在二次風暖風器停用后， 改造后二次風暖風器 A、 B 側旋轉豎立的2臺送風機功率下降之和約59 kW， 節能率為 9.13%。全年暖風器投運時間為6 000 h，此負荷下年節約廠用電為59 kW×6 000 h=354 000 kW·h，按照黑龍江省脫硫機組上網標桿電價0.372 3元/kW·h計算，年節省費用0.372 3×354 000÷10 000=13.179 4萬元。按照1臺機組2臺二次風暖風器投資60萬元計算，5～6年即可收回投資成本，投資收益良好。

5 結 論

1) 可翻轉式暖風器加熱能力與原固定式暖風器相同，能夠滿足冬季風機入口加熱需求，有效地防止了空氣預熱器低溫腐蝕問題的發生。

2) 實施可翻轉暖風器改造后，能很好地改善春夏季節堵塞問題，降低送風機電耗，節能效果明顯，對于發電企業降低廠用電率，完成節能減排目標任務具有十分重要的意義。

3) 二次風暖風器停運后，系統阻力降低約10%，有利于軸流風機穩定運行。特別是該改造技術推廣至一次風機后，將降低風機“失速”現象發生的幾率。旋轉式暖風器的改造項目投資回收期較短(5～6年)，適宜以合同能源管理方式開展項目建設。

[1] 史艷強，劉吉，林兆寧，等. 600 MW機組鍋爐暖風器節能改造[J]. 內蒙古電力技術，2013，31(1)：69-72.

SHI Yanqing, LIU Ji, LINZhaoning, et al. Air heater energy conservation reconstruction on 600 MW units[J]. Inner Mongolia Electric Power, 2013, 31(1): 69-72.

[2] 劉志強.淺談鍋爐暖風器節能及優化控制[J]. 應用能源技術，2013，33(8)：27-31.

LIU Zhiqiang. Analysis in energy conservation and optimization control of boiler steam air heater[J]. Applied Energy Technology, 2013, 33(8): 27-31.

[3] 尹君，居強. 百萬千瓦級機組鍋爐暖風器改造 [J]. 華電技術，2013，5(2)：56-59.

YIN Jun, JU Qiang. Reformation of boiler steam air heater of 1000 MW grade units[J]. Huadian Technology, 2013, 5(2): 56-59.

[4] DL/T 469-2004，電站鍋爐風機現場性能試驗[S]. 北京：中國電力出版社，2004.

DL/T 469-2004, Fans performance testing in situ for power boiler[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2004.

Design and Modification of rotatable air heater for 350 MW unit boiler

ZHANG Xin,JI You,YAN Chengxian

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150030,China)

In order to solve the problem of low temperature corrosion in the operation of 6×350 MW unit boiler in a factory, the reason of the existence of fixed air heater is analyzed, the modification scheme is proposed in in which original boiler secondary air heater is transformed into rotatable heater and the rotatable air heater is re-designed, checked the calculated. Through the test analysis results of operations are obtained before and after modification of rotatable air heater. The test results show that the modification of 6×350 MW unit air heater in a factory is able to reduce the duct resistance and fan power consumption during the deactivation of the heater, improve the primary and secondary air temperature into the air preheater, reduce the low temperature corrosion of the air preheater heating surface and improve the boiler efficiency and economic benefits.

boiler; steam air heater; 6×350 MW unit; reformation

2017-06-05;

2017-07-17。

張 欣(1964—)，男，高級工程師，從事電力系統、熱力系統方面的研究工作。

TK229

A

2095-6843(2017)05-0446-04

(編輯侯世春)