圓臺式新型空預器技術應用與改進

賈啟月 劉廣震

（天津大港發電廠 天津 300272）

圓臺式新型空預器技術應用與改進

賈啟月 劉廣震

（天津大港發電廠 天津 300272）

文章詳細描述了圓臺式新型空預器的結構、技術原理，技術特點，并結合天津大港發電廠鍋爐實際情況提出詳細的空預器改造方案，通過圓臺空預器技術改造方案的實施，實現適應安裝脫硝裝置后對空預器耐腐蝕的要求，并大幅降低了鍋爐排煙溫度，提高了鍋爐效率，達到節能減排的目的。

圓臺空預器；技術；應用；改進

引言

天津大港發電廠1、2號機組為328.5MW燃煤機組，分別于2005年5月和2004年12月完成油改煤改造投產。為滿足國家環保新標準的要求，在1、2號機組安裝氣脫硝裝置，由于煙氣中含有SO2、SO3，容易和從SCR反應器中逃逸的還原劑氨發生反應生成硫酸氫氨。而硫酸氫氨在空預器的中溫段和低溫段的溫度區間內具有很強的粘性，容易吸附灰塵堵塞空預器，危及空預器的正常運行，會迫使鍋爐機組停運次數增加，并且1、2號鍋爐排煙溫度較高在150℃左右，為解決鍋爐排煙溫度高和安裝脫硝裝置后空預器易堵塞問題，開展圓臺式新型空預器技術應用與改進研究工作。

天津大港發電廠成立了由生產副廠長為組長，技術骨干為組員的圓臺式空預器應用與改進研究小組，在國神公司各級領導的正確指導下，在全廠各部門的密切配合協作下，通過多次方案的論證比較，大量技術細節的改進，并經過連續50多天改造施工奮戰，圓滿完成了圓臺式空預器應用與改進研究工作，取得了較好的成效。

1 概述

天津大港發電廠1、2號鍋爐空預器原設計按不設脫硝裝置配置的空預器，單臺鍋爐配有兩臺全模式、雙密封、三分倉容克式空預器，立式布置，煙氣與空氣以逆流方式換熱。空預器型號為28.5-VI(T)-1720-SMR，轉子名義直徑為Φ9970mm，傳熱元件總高度為1720mm，其中熱端傳熱元件為FNC板型，高度為1000mm，采用0.5mm厚的鋼板；中間層為FNC板型，高度為420mm，采用0.5mm厚的鋼板；冷端采用DU3板型，高度為300mm，采用0.8mm厚的鋼板。轉子轉向為逆轉，即先加熱二次風再加熱一次風。空預器為48隔倉，采用固定式三密封和環向密封系統。

2 圓臺式空預器結構與原理

國內外所有的回轉式空預器轉子為圓柱形，高、低溫端截面積相等，造成高溫端流速是低溫端1.5倍以上，空預器設計是控制高溫端介質流速，達到介質流過受熱面傳熱效率和產生的阻力在較佳數值，而低溫端介質流速過低，傳熱效率低下，總的換熱效率無法達到最佳效果；且極易積灰和形成堵塞。本次應用的新技術是空預器轉子采用圓臺（錐形）結構，通過截面積變化控制介質流速，使介質流過空預器整個受熱面的速度更均勻，保持空預器全部受熱面的換熱效率在較佳范圍和介質流過預熱總阻力降低，同時由于低溫端介質流速的提高使空預器低溫端的自清洗能力增強，改善空預器低溫端極易積灰狀況。

2.1 圓臺式空預器結構

圓臺式空預器為熱端大，冷端小結構，顛覆了傳統空預器固有圓柱形式，更符合空預器設計理論，圓臺式結構截面積的變化最適合空預器溫度從高溫到低溫的遞減，空預器冷熱端煙氣和空氣流速能得到控制，空預器的煙風流速處于可調控狀態。空預器熱端煙風流速降低，冷端煙風流速提高，冷熱端流速相對接近，提高了空預器的傳熱能力，降低了煙風阻力。圓臺式空預器傳熱元件片布置與傳統空預器換熱元件布置不同，由圓周方向布置變為沿徑向方向布置，有利于煙風在轉子倉內流通，使同一截面煙風流速更均勻。

2.2 技術原理

原空預器高溫端和低溫段介質流通截面積相等，造成了高溫端的流速是低溫端的1.5倍以上，事實上當介質流速在一定范圍內時傳熱效率才能達到最佳。空預器的設計是控制高溫端介質流速，是介質流過受熱面的傳熱效率和生產的阻力在較佳數值，這樣低溫端由于介質流速過低，傳熱效率低下，總的換熱效率無法達到較佳；同時由于低溫端介質流速過低，極易積灰和形成堵塞。用改進流通面積的方法來調節煙風速度，如下公式；

式中：B—煙風消耗量;V—煙風體積;t—煙風平均溫度（℃）。

當v為常數時，給定合理值，則公式1可改寫成f=， 則可得出流通面積f=at，那么當溫度t變化時（溫度t變化范圍為360℃～120℃），流通面積f也將變化；即熱端流通面積大，冷端流通面積小。如圖1圓臺空預器示意圖所示也可理解為當流通面積f變化時降低了進入空預器煙速，降低了離開空預器風速，解決了空預器熱端煙風流速偏高問題。提高了進入空預器風速，提高了離開空預器煙速，解決了空預器冷端煙風流速偏低問題。

圓臺式空預器采用熱端截面大于冷端截面的結構形式，使流經空預器的煙氣和空氣更接近勻速流動，接近最佳換熱流速的范圍，空預器內介質流速控制在9～13m/s傳熱系數最高，如圖1：傳熱系數與氣流速度關系圖所示，在最佳換熱流速范圍傳熱元件的傳熱系數高，從而空預器整體換熱效率高，實現較小的體積達到較好的換熱效果，降低空預器的投資和維護成本。

2.3 技術特點

圓臺式空預器采用熱端截面大于冷端截面的結構形式，使流經空預器的煙氣和空氣更接近勻速流動，接近最佳換熱流速的范圍，具有以下特點：

（1）降低了進入空預器煙速，降低了離開空預器風速，解決了空預器熱端煙風流速偏高問題，減小了換熱元件的磨損，提高了換熱元件的使用壽命。

（2）提高了進入空預器風速，提高了離開空預器煙速，解決了空預器冷端煙風流速偏低問題，提高了冷端換熱元件的自清潔能力，更好的防止換熱元件堵塞。

（3）空預器冷端和熱端煙風流速更接近最佳范圍內，換熱能力更接近最大化。

（4）由于熱端煙風流速與冷端煙風流速之比減少，阻力更接近最小化。

（5）空預器冷端煙風速度提高，自清洗能力增加，空預器抗堵塞能力增強。

圖1 傳熱系數與氣流速度關系圖

（6）空預器熱端煙風速度降低，減輕對熱端傳熱元件的沖刷，熱端元件壽命會提高

（7）在總換熱量相等時，傳熱元件重量會降低，投資成本下降。

（8）在總傳熱面積相等時，換熱量增加，排煙溫度下降，煙風阻力降低。

3 應用情況

1、2號鍋爐空預器采用新型圓臺式轉子結構，轉子熱端直徑放大600mm,圓臺式轉子的中徑與29號空預器直徑相等，轉子隔板加高200mm,改后的空預器熱端煙氣流速從14.5m/s降到12.5m/s，在最佳換熱流速范圍內，從而提高換熱元件換熱效率，減小煙氣對傳熱元件的沖刷磨損，提高熱端傳熱元件的使用壽命。

3.1 具體改造方案

經過詳細論證和計算，空預器熱端直徑10782mm，空預器冷端直徑10376mm，空預器熱端煙氣流速為12.5m/s，空預器冷端煙氣流速為7.6m/s，冷熱端煙氣流速比從原設計0.52增到0.61，同時冷熱端空氣流速比也提高了0.08。傳熱元件片由圓周方向布置變為沿徑向方向布置，有利于煙風在轉子倉內流通，使同一截面煙風流速更均勻。具體改造內容如下：

（1）空預器轉子采用圓臺式轉子，轉子熱端直徑放大約600mm，圓臺式轉子的中徑與29號空預器直徑相等，轉子隔板加高200mm，改后的空預器熱端煙風流速下降，從而可以減小煙氣對傳熱元件的沖刷磨損，提高熱端傳熱元件的使用壽命。空預器冷端煙速（冷端煙氣流速約8.8m/s）保持不變。

（2）提高空預器受熱面的高度，空預器傳熱元件凈高度從現在1720mm提高到2100mm（高度增加290mm）。其中冷端傳熱元件為搪瓷元件，高度為900mm，型號為XLE4。中間層高度為1000mm，型號為XLE7。改造后換熱面積約增加32%。

（3）傳熱元件片沿徑向方向排列，有利于圓臺式轉子中煙風流動。

（4）更換熱端扇形板，熱端扇形板安裝位置高度抬高約208mm。

（5）取消空預器內柵架托架，改用橫向隔板托架，橫向隔板上開有孔，有利于煙風流動，傳熱元件的拆裝全部在垂直方向進行。

（6）更換空預器主座架和軸向密封板，并對外殼其它部分作相應改造，適應轉子的變化。

（7）更換空預器熱端連接環。并對熱端過渡煙風道路相應改造，熱端旁路密封相應隨轉子加大、加高進行外移和抬高。

（8）更換熱端扇形板與桁架之間的靜密封和軸向密封板與外殼之間的靜密封。

（9）更換徑向密封，軸向密封和旁路密封，煙風之間為三密封結構，保證空預器較低的漏風率。

（10）熱端端軸采用迷宮式銅環密封。

（11）經核算改后空預器的載荷，空預器冷端桁架不需加強，原支承軸承 (SKF294/500)靜負荷能力為3350噸，3350/231=14.5＞8,空預器軸承不需更換。冷端中心桁架是一種標準結構。冷端中心桁架高度為1600mm,其允許承載能力為850×0.4635≈394噸，大于改造后空預器靜載（231噸），冷端中心桁架強度和變形量滿足要求，符合設計規范。

（12）空預器吹灰和清洗按脫硝后標準配制，熱端為蒸汽吹灰器，冷端為蒸汽和高壓水雙介質吹灰器。

3.2 技術優化

1、2號鍋爐應用圓臺式新型空預器技術改造中，遇到了很多技術問題和施工難題，通過研究小組的研究討論，主要對圓臺式空預器的設計和施工方面進行了以下技術優化：

（1）傳熱元件支撐結構改進：傳熱元件冷端支撐格柵改為沿圓周的支持條，為防止傳熱元件的掉落，增加傳熱元件支撐的可靠性，在傳熱元件盒中部下端增加支撐塊，支撐塊規格為50×40×10mm。

（2）扇形板和弧形板調節螺桿密封結構改進：原來密封結構為盤根盒壓蘭密封結構，改為迷宮+密封蓋結構，增強密封性能，保證了密封嚴密不泄漏。

（3）換熱元件布置方式與改進：圓臺式空預器為熱端直徑大，冷端直徑小。為了使圓臺式空預器介質流動均勻分布和控制流速，C、D盒換熱元件片沿徑向方向排列，如圖2圓臺式空預器換熱元件布置示意圖所示。并且在C、D盒換熱元件間的環向隔板適當位置開孔，便于C、D盒中介質的相互流通，更有利于均勻流速和增強換熱效果。

圖2 圓臺式空預器換熱元件布置示意圖

（4）施工工藝改進：1號鍋爐空預器轉子改造施工中，傳熱元件支撐格柵全部拆除后，轉子徑向隔板變形嚴重，造成環向隔板和傳熱元件的安裝困難，增加了施工難度和工作量。針對此問題經過研究小組的討論研究，確定在2號鍋爐空預器改造施工工藝改為間隔拆除支撐格柵，即隔一個倉格拆除支撐格柵，安裝環向隔板焊接后，再拆除剩下的支撐格柵，安裝環向隔板和傳熱元件。采用改進后的施工工藝，轉子變形小，保證了每個傳熱元件倉格外形尺寸，使環向隔板和傳熱元件安裝順利，提高了施工質量和效率，使空預器改造工期提前了2天。

4 應用效果及經濟效益分析

2013年4月和11月，分別完成1、2號鍋爐圓臺式新型空預器技術應用改造工作，改造后空預器的傳熱效率提高，排煙溫度下降明顯，鍋爐效率提高，空預器的煙風阻力降低，風機能耗下降，空預器各項技術指標達到設計值，空預器運行穩定。

4.1 應用效果

（1）2013年4月24日，1號機組在滿負荷時，西安熱工研究院有限公司進行了1號鍋爐空預器改造后性能試驗，提交《1號鍋爐空氣預熱器性能試驗報告》結論為：

1）A、B側空預器漏風率分別為5.69%和5.35%，均低于保證值6%。

2）A、B側空預器出口實測排煙溫度分別為131.2℃和137.1℃（修正后煙氣溫度分別為120.3℃和119.4℃），均低于保證值121.6℃。

3）A、B側空預器煙氣側進、出口壓降分別為760Pa和820Pa，均低于保證值1340Pa。

（2）2014年1月14日，2號機組在滿負荷時，華北電力科學研究院有限責任公司進行了2號鍋爐空預器改造后性能試驗，提交《2號鍋爐空預器改造后性能測試試驗報告》結論為：

1）A側空預器漏風率分別為5.05%；A側空預器漏風率分別為5.88%，空預器漏風率滿足性能保證小于6%的要求。

2）A側空預器排煙溫度為129.5℃，B側空預器排煙溫度為123.1℃，兩側平均為124.8℃，低于125℃保證值要求。

3）A側空預器煙氣壓降為0.96KPa，B側空預器煙氣壓降為0.91KPa，小于1.34KPa保證值要求。

4.2 經濟效益分析

西安熱工研究院有限公司《1號鍋爐空氣預熱器性能試驗報告》和華北電力科學研究院有限責任公司《2號鍋爐空預器改造后性能測試試驗報告》中結論可以看出，空預器漏風率均低于6%保證值，煙氣側壓降均小于1.34KPa保證值的要求，排煙溫度均低于125℃保證值，鍋爐排煙溫度較改造前下降了10℃以上，鍋爐效率提高約0.5%，發電煤耗下降約1.5g/kwh。并且空預器阻力較改造前有明顯下降，一次風機、送風機和引風機電耗明顯下降。

鍋爐的發電煤耗降低，從而減少鍋爐燃煤量，降低鍋爐出口氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳和粉塵等的排放總量，對改善社會環境具有促進作用，社會效益巨大。

采用圓臺式空預器對通過空預器的煙風速度進行控制，同比圓柱式空預器的傳熱能力提高了約8%，煙風阻力下降了10%，空預器其它性能參數與圓柱式空預器的相當，圓臺式空預器運行穩定、可靠，同比圓柱式空預器成本下降了約16%。同時由于熱端煙速降低，熱端受熱面磨損減輕，傳熱元件壽命提高，運行和維護成本下降。天津大港發電廠1、2號鍋爐空預器于2013年改造為圓臺式空預器后，至今已經投入運行3年多的時間，各項運行參數達到安全經濟運行要求，保證了機組的安全穩定運行。

[1]袁德史明武吳鐵山等，現代電站鍋爐技術及其改造中國電力出版社，2006年4月；

[2]李建平劉寶石徐佰強，回轉式空氣預熱器安裝說明書（F031OYA001DG01）哈爾濱興隆鍋爐有限公司，2012年12月；

[3]李建平劉寶石徐佰強，回轉式空氣預熱器運行和維修說明書（F031OYY001DG01）哈爾濱興隆鍋爐有限公司，2012年12月。

賈啟月（1976.5-）男工程師，現任神華國能天津大港發電廠有限公司維護車間副主任，鍋爐專業。

劉廣震（1990.10-）男 助理工程師，神華國能天津大港發電廠有限公司運行車間巡檢工。