空氣預熱器在電廠熱機系統中的性能優化研究

國能福州（熱電）有限公司 王 興

電廠熱機系統是熱電聯產過程中的核心部分，其性能優化直接影響到能源效率和環境排放。在熱機系統中，空氣預熱器起著至關重要的作用。通過預熱燃燒空氣，空氣預熱器可提高燃料的燃燒效率，從而提高系統的熱效率。然而，由于各種因素，包括設備老化、維護不當等，空氣預熱器的性能可能會下降，進而影響熱機系統的熱效率。因此，研究空氣預熱器的性能優化，不僅有助于提高電廠熱機系統的熱效率，也有助于環境保護。本文旨在深入研究空氣預熱器的性能優化策略，并通過實際案例進行驗證。

1 空氣預熱器的工作原理與性能分析

1.1 空氣預熱器的基本工作原理

空氣預熱器是熱電廠熱機系統的關鍵設備之一，其主要任務是將燃燒前的空氣預熱到一定的溫度。工作原理主要基于傳熱原理，即利用排煙中的熱量將進入燃燒室的空氣預熱。當熱煙氣通過預熱器時，通過換熱面傳遞熱量到空氣中，提高了空氣的溫度。此方法優點是提高燃燒效率，減少燃料消耗，同時減少排放，降低環境污染。總體來說，空氣預熱器的基本工作原理是利用煙氣中的余熱對燃燒空氣進行預熱，提高了熱機系統的整體熱效率。

1.2 空氣預熱器的性能指標

空氣預熱器的性能主要由幾個關鍵指標來衡量：預熱效率、壓力損失和機械可靠性。預熱效率反映了空氣預熱器利用煙氣余熱進行預熱的能力，一般來說，預熱效率越高，表明空氣預熱器的性能越好。壓力損失是指空氣在預熱器中流動時因為阻力產生的壓力減小，過大的壓力損失會影響空氣流動，從而影響燃燒效率。機械可靠性反映了空氣預熱器在長時間運行中的穩定性和耐久性，對于電廠熱機系統的持續穩定運行至關重要[1]。

圖1 空氣預熱器的基本工作原理

1.3 空氣預熱器的性能分析與評估

空氣預熱器是電廠熱機系統中不可或缺的一部分，其性能直接影響到電廠的運行效率和設備的使用壽命。因此，進行空氣預熱器的性能分析與評估是至關重要的。

首先，應進行定期數據收集。這包括入口和出口的溫度和壓力等運行數據。入口和出口的溫度數據可以用來計算預熱器的熱效率，即預熱器能將多少熱量傳遞給進入的空氣。壓力數據可用來計算預熱器的壓力損失，即空氣通過預熱器時能量的損失。這兩項指標都可反映預熱器的運行效率；然后，應對收集到的數據進行深入分析。分析結果可幫助人們了解預熱器的運行狀態，以及可能存在的問題。例如，如果熱效率過低，可能意味著預熱器的熱交換面積不足或者熱交換效率低下。如果壓力損失過大，可能意味著預熱器內部存在堵塞或者結構設計不合理。對這些問題的早期發現和處理，可有效地提高電廠的運行效率，延長設備的使用壽命。

除了數據分析，還應定期進行機械檢查，評估預熱器的機械可靠性。這包括檢查預熱器的結構完整性，以及熱交換元件的磨損程度。這些信息可幫助人們了解預熱器的使用壽命，以及是否需要進行維護或更換。值得注意的是，評估結果不僅受到設備本身性能的影響，也受到系統運行條件和環境因素的影響。例如，氣候變化可能會影響預熱器的熱交換效率，因為氣候變化會改變進入預熱器的空氣的溫度和濕度。同時，系統運行條件的變化（如負荷變化）也可能影響預熱器的壓力損失。

總體來說，空氣預熱器的性能分析與評估是一個復雜而重要的過程，需要綜合考慮數據分析、機械檢查以及系統運行條件和環境因素的影響。通過這些分析和評估，可更好地了解預熱器的運行狀態，提高電廠的運行效率，延長設備的使用壽命[2]。

2 電廠熱機系統的熱效率分析

2.1 熱機系統的工作原理

熱機系統是電廠中的核心部分，其負責將熱能轉化為機械能，然后再轉化為電能。該過程主要包括三個步驟：燃料燃燒、熱能轉化為機械能、機械能轉化為電能。燃料燃燒通常在燃燒室中進行，產生的熱能會使工質（如蒸汽）加熱膨脹，驅動汽輪機旋轉，從而產生機械能。進而，汽輪機驅動發電機旋轉，將機械能轉化為電能。在此過程中，空氣預熱器、蒸汽發生器、渦輪機和冷卻系統等設備都起著重要作用。特別是空氣預熱器，其可改善燃燒條件，提高熱效率，降低燃料消耗。

2.2 熱機系統中空氣預熱器的作用

在熱機系統中，空氣預熱器起著至關重要的作用。首先，通過預熱燃燒空氣，空氣預熱器可提高燃料的燃燒效率。因為預熱后的空氣可更好地與燃料混合，促進燃料的充分燃燒。其次，空氣預熱器可有效利用熱機系統中的余熱。通過將熱煙氣中的熱量傳遞給燃燒空氣，空氣預熱器不僅能提高燃燒效率，還可降低熱機系統的熱損失。此外，空氣預熱器還可以減少燃料消耗，降低運行成本，減少環境污染。

圖2 熱機系統的工作原理

2.3 空氣預熱器對熱機系統熱效率的影響

空氣預熱器對熱機系統的熱效率有直接的影響。熱效率是指熱機系統能夠將輸入的熱能轉化為有用工作的能力，其是衡量系統性能的重要指標。通過預熱燃燒空氣，空氣預熱器可提高燃料的燃燒效率，從而提高系統的熱效率。此外，空氣預熱器通過利用熱煙氣中的余熱，減少了系統的熱損失，進一步提高了熱效率。在實際運行中，如果空氣預熱器的性能下降，例如預熱效率降低或壓力損失增大，都會導致熱機系統的熱效率下降。因此，保持空氣預熱器的高性能運行，對于提高熱機系統的熱效率至關重要。

更重要的是，空氣預熱器對熱機系統熱效率的影響不僅限于單個設備，而是影響整個系統。例如，預熱效率的提高可減少燃燒器的燃料消耗，從而減輕渦輪機和發電機的負荷。同樣，通過減少熱損失，空氣預熱器也可減少冷卻系統的負荷，提高整個系統的運行效率。

3 空氣預熱器的性能優化策略

3.1 提高空氣預熱器的傳熱效率

提高空氣預熱器的傳熱效率對熱機系統性能至關重要。具體優化策略包括：設計和材料優化。例如，采用高熱傳導性能材料和擴大換熱面積的設計，同時確保換熱面清潔以避免熱量傳遞的阻礙；操作參數調整。調節煙氣和空氣流速以影響其在預熱器中的停留時間，從而優化熱量傳遞。同時，調控預熱器的溫度和壓力，改變熱量傳遞的驅動力；應用先進監測和控制技術。通過實時監測預熱器溫度和壓力變化，及時處理可能影響傳熱效率的問題，并采用先進控制算法自動調整操作參數，確保預熱器保持最佳運行狀態。

3.2 減少空氣預熱器的壓力損失

減少空氣預熱器壓力損失對熱機系統能效和穩定性起著重要作用。優化策略包括：設計改進。優化流道設計，減少彎頭和突變部位，減輕空氣流動阻力，選擇適當的換熱元件，如合適形狀和大小的翅片，降低流體阻力；使用抗腐蝕、抗磨損材料。防止因材料老化和磨損導致的流道變窄，降低壓力損失；運行參數優化。調整空氣和煙氣流速，保證換熱效果的同時降低流動阻力，合理的預熱溫度和壓力設置可改變空氣黏度和密度，進一步減少壓力損失；定期清潔和維護。防止灰塵和沉積物堆積導致的壓力損失增大。

3.3 提高空氣預熱器的可靠性和穩定性

空氣預熱器的可靠性和穩定性至關重要。提高策略包括：設計優化和材料選擇。充分考慮結構強度、熱膨脹和熱應力，保證預熱器在高壓高溫環境下穩定運行，使用耐高溫、抗腐蝕和抗磨損材料，延長使用壽命；定期維護和檢修。定期清潔和檢查預熱器，保持通道暢通，減少壓力損失，及時發現和處理損壞、漏風、泄漏等問題，防止故障擴大；監測和故障診斷。利用溫度、壓力、振動等傳感器實時監測預熱器狀態，基于數據分析和故障診斷算法，識別異常行為和潛在故障，及時修復和維護，保證預熱器可靠性和穩定性。

3.4 高效的清理和維護策略

高效清理和維護策略對空氣預熱器性能優化至關重要。主要策略包括：定期清潔。使用在線蒸汽吹掃、水洗或機械清理等方式，徹底清除換熱表面的灰塵、顆粒物和沉積物，降低壓力損失，提高熱傳遞效率；定期維護和檢修。檢查設備的密封性、管道連接和防腐蝕涂層等，及時更換附件和零部件，防止問題惡化；運行參數監測。使用傳感器和監控系統實時監測關鍵運行參數，如溫度、壓力和流量等，提前預警并修復問題；培訓和知識共享。對維護人員進行培訓，建立知識共享平臺，促進經驗和最佳實踐的交流，推動清理和維護策略的不斷優化。

4 實際案例

某電廠中的空氣預熱器，歷來存在效率低下的問題。該電廠工程師發現，由于空氣預熱器性能不佳，直接導致了整個熱機系統的熱效率下降，增加了環境排放。在詳細了解并深入研究空氣預熱器的工作原理之后，電廠專業人員開始尋求解決方案。

提出了提高傳熱效率的策略通過優化空氣預熱器的換熱元件設計，如選用高性能材料，改進結構布局等，可提高空氣與煙氣之間的熱交換效率；提出了減少壓力損失的策略，優化煙道結構、改進流道設計，以及采用高效的煙氣和空氣流動控制裝置，可降低壓力損失，進一步提高空氣預熱器的性能；還提出了提高可靠性和穩定性的策略，定期進行維護，避免因設備故障造成的停機，從而確保了空氣預熱器的持續穩定運行；還提出了高效的清理和維護策略，定期清理空氣預熱器內部，去除煙塵和沉積物（如硫酸氫銨等），防止換熱面積減少和熱效率下降。實施了這些優化策略之后，該電廠的空氣預熱器性能得到了顯著提高，熱機系統的熱效率提高了8%，環境排放也得到了有效地降低。

5 結語

空氣預熱器在電廠熱機系統中扮演著關鍵角色，其性能優化對于提高熱效率、降低能耗和環境影響至關重要。本文通過探討空氣預熱器的工作原理、性能指標和性能分析，并提出了提高傳熱效率、減少壓力損失、提高可靠性和穩定性的優化措施。這些措施有助于提高熱機系統的整體效率，降低運行成本，并為可持續能源發展作出貢獻。未來的研究應繼續深化對空氣預熱器性能的理解，并結合新技術和工程實踐，進一步優化和改進空氣預熱器的設計和運行，實現更高效、可靠和環保的電廠熱機系統。