氣氣換熱器進出口集箱與鍋爐耦合布置結構

王 玥，陽緒東，盛佳眉，俸錦興

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

尿素作為SCR 脫硝的常用還原劑，主要工藝有熱解制氨和水解制氨工藝，相比較而言尿素熱解制氨工藝由于系統簡單、投資成本低、運行穩定，被越來越多電廠采用。尿素熱解法工藝是將空氣加熱到600 ℃左右作為尿素熱解的熱源引入到熱解爐中，尿素熱解生成氨氣供脫硝裝置使用。常規的電加熱器加熱空氣的方式存在能耗過大、運行成本高等缺點。新興起的氣氣換熱器技術則是利用鍋爐尾部豎井的高溫煙氣加熱冷一次風作為尿素熱解熱源，替代原電加熱的方式可大大降低脫硝運營成本，降低電廠能耗，實現真正的節能環保［1-3］。

按如何利用鍋爐高溫煙氣熱量，氣氣換熱器分為爐內氣氣管式換熱器和爐外氣氣管式換熱器兩種型式［4］。爐外氣氣管式換熱器由于需要增加較大額外占地、成本高等因素而應用較少。而爐內氣氣管式換熱器結構具有對鍋爐影響較小，結構布置簡單等特點，逐漸成為現在氣氣換熱器結構設置的主要型式。

東方鍋爐開展了針對爐內氣氣換熱器的傳熱實驗研究，實驗結果與常規管式空預器程序計算結果匹配。氣氣換熱器屬于鍋爐系統之外新增的設備，如何保障氣氣換熱器與原鍋爐本體結合后安全運行是研究的重點。氣氣換熱器的換熱過程需要設置進出口集箱，集箱的布置方式會影響換熱管系的布置，進而對管系的膨脹應力產生影響。氣氣換熱器集箱設置有兩種型式：圓形集箱式結構布置、風室式結構布置。通過管系應力計算軟件對比分析兩種集箱型式管系的應力情況，為采用更為合理的對鍋爐本體影響更小的結構提供理論依據。

1 氣氣換熱器整體設計

由于鍋爐爐型眾多，所述結構設計選取應用較為廣泛的∏型鍋爐為例。根據尿素熱解溫度需求，爐內氣氣管式換熱器設置位置通常選在鍋爐后豎井轉向室內，受熱面布置于低溫過熱器或低溫再熱器上方，如圖1所示。

圖1 ∏型爐氣氣管式換熱器系統

在鍋爐尾部豎井低溫過熱器或低溫再熱器區域，煙溫在400～900 ℃之間，可以將氣氣換熱器管子支撐在該區域的吊掛管過熱器上。氣氣換熱器由爐內換熱管、集箱及爐外連接管道組成。換熱管內空氣壓力只有約10 kPa，換熱管材質選取具有一定抗高溫氧化能力的SA-213TP347H。換熱管在穿鍋爐后包墻處焊接固定，在爐內水平方向可自由熱膨脹。

鍋爐冷一次風進入氣氣換熱器進口集箱，分配到布置在鍋爐后豎井的換熱面管組中與高溫煙氣進行換熱，加熱后的高溫熱風在氣氣換熱器出口集箱匯集，再通過熱風連接管道引出到尿素熱解爐中。

為使換熱器管內空氣流量分布均勻，通過數值模擬進、出口集箱不同接口數的靜壓分布，最終選取氣氣換熱器進、出口集箱均設置兩個接口。考慮氣體受熱膨脹，氣氣換熱器出口集箱容積設置較進口集箱容積大，以降低出口集箱壓力。

氣氣換熱器管系應力是否合格，主要判斷最大應力比（計算應力/許用應力）是否小于1，滿足ASME B31.1 的要求。最大應力比主要分為兩個方面：一次應力比及二次應力比。一次應力考慮管子自重及內壓，二次應力考慮溫度和邊界熱位移。主要研究管子規格及材料選定滿足高溫下一次應力合格時，二次應力對管系安全性的影響。

2 氣氣換熱器進出口集箱結構

2.1 圓形集箱式布置

氣氣換熱器進出口集箱采用有縫鋼管卷制而成，集箱與爐內受熱面之間采用與受熱面同規格的彎管進行連接，如圖2所示。

圖2 集箱式氣氣換熱器進口集箱和出口集箱布置

氣氣換熱器進口集箱和出口集箱壁厚均較薄，為增強集箱剛度，集箱通過懸吊或者支撐的方式，每隔2～3 m設置一個吊點/支撐點固定在剛性梁上。

受熱面管組穿后包墻處設置密封盒，為減小管組受熱面給后包墻帶來的應力集中，密封盒與管組不焊接，密封盒內敷設澆注料，形成完全密封結構。進口集箱設計溫度為冷一次風溫，溫度較低不需要保溫。出口集箱敷設保溫層，保溫將集箱與爐外受熱面管一同進行包覆。氣氣換熱器管系溫度場的分布如圖3所示。

圖3 氣氣換熱器溫度分布

根據氣氣換熱器溫度場計算，盡管出口集箱進行了保溫包覆，氣氣換熱器管組出口段爐外部分的溫度仍然比爐內部分低近50 ℃。在氣氣換熱器最初進行結構設計時，并未設計多個彎頭，但在對管系進行應力計算后發現，最高一次應力、二次應力均出現在氣氣換熱器出口端管組后包墻外和集箱之間，并且管系二次應力超過安全管系應力要求，如圖4所示。

圖4 初期管系設計二次應力比分析

為降低管系應力，需在包墻與出口集箱之間設置多個彎管，以降低管系熱應力。計算結果表明，通過增加彎管能夠有效地降低管系熱應力（圖5），長彎管的設置可以吸收出口集箱與后包墻的熱膨脹差。在增加了多個彎管后，雖然管系應力計算合格，但其最高應力發生在氣氣換熱器管穿包墻的進出口處，設計裕量較小，且暫時沒有更有效的手段進一步降低該處結構應力。同時彎管的增加使得爐外不受熱的高等級受熱面管材使用量增加，設計所需布置空間增加，帶來一定的設計和施工困難。

圖5 增加彎管后管系設計二次應力比分析

2.2 風室式布置

風室式布置的氣氣換熱器進口集箱和出口集箱是在集箱式布置的基礎上改進而成的［5］。氣氣換熱器無傳統集箱設計，采用與原進口集箱和出口集箱厚度相當的鋼板拼接成五面密封的風室，緊貼于后包墻上，如圖6 所示。風室合理分段，每段風室之間采用金屬膨脹節進行連接，以減小風室的熱膨脹與包墻的熱膨脹偏差，保障風室不對包墻結構產生應力破壞。

采用風室結構后，氣氣換熱器進出口風室均直接固定在后包墻上，進口風室重量較輕，因此進口風室的負荷由后包墻直接承擔。雖然出口風室重量也較輕，但考慮到出口高溫所需保溫重量的影響，利用出口風室附近的剛性梁對出口風室進行補充支撐，以減輕對后包墻施加彎矩，防止對后包墻造成破壞。

圖6 風室式氣氣換熱器進出口集箱布置

氣氣換熱器進出口集箱采用風室式結構布置后，管組穿后包墻處依舊需要設置密封盒。密封盒與管組上的預埋件焊接，同時密封盒內敷設澆注料，確保形成完全密封，煙氣與一次風之間無相互泄漏。保溫敷設于風室外層。

該結構進口風室和出口風室直接布置在后包墻上，受熱面管組端口位于密封盒后，直接接入進口風室和出口風室，因此采用該結構布置無爐外受熱面，從而也不存在管系應力問題。

2.3 兩種集箱結構對比

分析以上兩種集箱結構布置可以發現，采用風室式集箱將會帶來更多的好處。

2.3.1 管系安全性方面

由于集箱式結構布置受熱管組與包墻管之間的溫度差，以及爐內、爐外受熱面管之間的溫度差造成的應力必然會對氣氣換熱器管組和鍋爐包墻系統帶來一定影響。而對于風室式結構而言，通過把進出口風室緊貼鍋爐后包墻固定的方式，使得風室和鍋爐后包墻之間的熱應力差大大減小。同時由于風室式結構不需要爐外受熱面管設計，也完全避免了爐外受熱管為滿足熱應力安全需求所帶來的設計問題。

2.3.2 布置空間方面

由于集箱式結構存在連接管，并且為了降低連接管熱應力需要設計多個彎管，必然會占用更多的布置空間。而在實際工程中發現，由于此處上下剛性梁的限制，同時由于氣氣換熱器出口處煙溫較高，需設置較厚的保溫層。集箱式結構會給設計和施工都造成較大的困難。而風室式結構則因無連接管，給設計和施工都預留了較大的空間。

2.3.3 工藝制造方面

氣氣換熱器不屬于壓力管件，因此采用的集箱或者管道壁厚均較薄。對于集箱式布置來說，集箱是通過鋼板卷制而成，并且需要在集箱上開孔；連接管管段上存在90°的彎管設計。在生產制造過程中，給工藝造成了較大的困難，須進行專門針對薄壁厚管板的工藝研發［6］。采用風室式布置則無此項生產工藝要求。

2.3.4 整體設計經濟性方面

氣氣換熱器雖然不屬于壓力管道，但由于其管材需滿足耐高溫、抗氧化的要求，氣氣換熱器管子采用的材料等級較高。采用風室式結構后，新的結構和布置形式可節省氣氣換熱器爐外受熱面管材。以某臺600 MW機組鍋爐的氣氣換熱器為例，采用風室式布置僅爐外受熱面管材成本可減少近30 萬元。同時，風室式結構設計較為簡單，不須為進出口集箱設置復雜的吊掛裝置，也在一定程度上進一步降低了成本。

3 結語

尿素熱解用爐內氣氣換熱器是電站鍋爐環保領域的重大技術創新。氣氣換熱器與鍋爐結合處的結構設計在不斷發展。針對氣氣換熱器進出口集箱的兩種結構進行了分析比較，并得到了以下結論：

氣氣換熱器圓形集箱式結構作為初代產品完成了其匯集冷/熱一次風的功能，但在設計、制造及安裝過程中均存在一定的困難。氣氣換熱器采用風室式結構則能夠更好地兼顧結構型式設計、系統膨脹應力、制造工藝及安裝，并且帶來更好的設備安全性和經濟性。