電站鍋爐空預(yù)器傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究

趙振宇

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010206）

1 前言

電站鍋爐空預(yù)器布置在省煤器后，通過(guò)將鍋爐尾部煙氣中的熱量傳遞給燃燒所需要的空氣，起到節(jié)省燃料消耗、改善燃燒條件的作用，其結(jié)構(gòu)形式主要分為管式、回轉(zhuǎn)式或管式，在大型電站鍋爐上主要采用回轉(zhuǎn)式，空預(yù)器已經(jīng)成為電站鍋爐不可缺少的受熱面。空預(yù)器涉及煙氣與空氣之間的逆流傳熱，其核心性能是傳熱性能。評(píng)估空預(yù)器傳熱性能的好壞一般用空預(yù)器煙氣出口溫度，即排煙溫度來(lái)衡量。在部分空預(yù)器配套整機(jī)或改造項(xiàng)目的技術(shù)要求中，除排煙溫度外，還對(duì)空氣出口溫度，即熱風(fēng)溫度也提出了要求，有的還對(duì)煙氣側(cè)效率也提出了要求。由于空預(yù)器性能考核試驗(yàn)需要收集大量運(yùn)行參數(shù)和修正計(jì)算，這些試驗(yàn)參數(shù)獲取的難易程度與修正計(jì)算的復(fù)雜程度，很大程度上影響了試驗(yàn)的精度和修正結(jié)果。本文主要研究這些性能指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和試驗(yàn)參數(shù)獲取方法，探索設(shè)定單一傳熱性能考核指標(biāo)的可行性，使得空預(yù)器性能考核試驗(yàn)更具可執(zhí)行性和可操作性。

2 空預(yù)器性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的選用

空預(yù)器的性能考核試驗(yàn)可采用ASME PTC 4.3《空預(yù)器性能試驗(yàn)規(guī)程》與GB 10184-88《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中GB 10184-88 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)排煙溫度的修正，只考慮了進(jìn)口風(fēng)溫的變化，沒(méi)有考慮煙氣量、空預(yù)器X 比、煙氣入口溫度等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的修正，在新機(jī)組剛剛投運(yùn)時(shí)的修正計(jì)算結(jié)果與ASME PTC 4.3標(biāo)準(zhǔn)尚較為接近，在機(jī)組投運(yùn)數(shù)年后，由于燃煤變化、機(jī)組老化和局部改造等原因，其修正計(jì)算結(jié)果與ASME PTC 4.3 會(huì)產(chǎn)生較大偏差。王祝成等人也建議修改GB 10184-88 標(biāo)準(zhǔn)的部分條文，增加空預(yù)器進(jìn)口煙溫偏差修正排煙溫度公式、空預(yù)器進(jìn)口煙氣量偏差修正排煙溫度事項(xiàng)，以及增加空預(yù)器熱容比X 偏差修正排煙溫度事項(xiàng)，以使GB 10184-88 標(biāo)準(zhǔn)更具備可執(zhí)行性。這兩種標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法有差異從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果也有明顯不同，因此，空預(yù)器性能考核試驗(yàn)需要事先明確采用的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。目前階段在實(shí)際空預(yù)器性能考核試驗(yàn)中，從反映空預(yù)器真實(shí)性能的角度出發(fā)，測(cè)試單位和電廠主要使用ASME PTC 4.3 標(biāo)準(zhǔn)。

3 排煙溫度和熱風(fēng)溫度

典型回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的傳熱方式如圖1 所示。

圖1 空預(yù)器的傳熱方式

熱煙氣自空預(yù)器上方的連接煙道進(jìn)入轉(zhuǎn)子，從空預(yù)器下方的連接煙道流出，冷空氣則正好與之相反，從空預(yù)器下方進(jìn)入轉(zhuǎn)子，從上方流出。回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的轉(zhuǎn)子中安裝有大量的波浪形薄鋼板，一般稱(chēng)為蓄熱片，如圖2 所示。

圖2 空預(yù)器蓄熱片

這些蓄熱片在煙氣側(cè)較高的溫度環(huán)境下完成蓄熱，通過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)空氣側(cè)時(shí)，再對(duì)溫度較低的空氣進(jìn)行放熱，周而復(fù)始，空預(yù)器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煔庀蚩諝獾倪B續(xù)熱量傳遞。

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器在結(jié)構(gòu)上屬于逆流式換熱器，傳熱效率高，可適應(yīng)溫差較大或者需要大量熱量傳遞的場(chǎng)景。圖3 顯示了空預(yù)器各流體溫度的變化方向。

圖3 空預(yù)器中各流體的溫度變化方向

大型空預(yù)器的空氣側(cè)通常還分成一次風(fēng)和二次風(fēng)兩個(gè)分倉(cāng)，甚至3 個(gè)分倉(cāng)（1 個(gè)一次風(fēng)倉(cāng)和2 個(gè)二次風(fēng)倉(cāng)），為方便分析，將空氣側(cè)按1 個(gè)分倉(cāng)看待，將一、二次風(fēng)的參數(shù)綜合起來(lái)取為1 個(gè)等效參數(shù)。煙、風(fēng)進(jìn)出口分別按ASME PTC 4.3 中的符號(hào)做出標(biāo)記，其中煙氣出口在作傳熱分析時(shí)本應(yīng)該使用漏風(fēng)稀釋前的符號(hào)，現(xiàn)為簡(jiǎn)明且不致引起錯(cuò)誤起見(jiàn)，本文用代替。

煙氣側(cè)的放熱量為：

空氣側(cè)的吸熱量為：

由于散熱損失相比于傳熱量很小，可忽略不計(jì)，煙氣側(cè)的放熱量與空氣側(cè)的吸熱量總是相等的，即存在熱平衡關(guān)系：

不論工質(zhì)空預(yù)器內(nèi)傳遞多少熱量，熱平衡都客觀存在，傳熱量高則換熱器在高水平上處于熱平衡，傳熱量低則在低水平上處于熱平衡。能傳遞多少熱量，取決于空預(yù)器的傳熱能力：

其中，K 為換熱元件的傳熱系數(shù)；A 為換熱元件的傳熱面積；為傳熱溫差，使用對(duì)數(shù)平均溫差：

空預(yù)器的傳熱量與煙氣的放熱量和空氣的吸熱量也是相等的，即：

這兩個(gè)方程聯(lián)立就構(gòu)成了空預(yù)器傳熱的方程組，其中共有10 個(gè)變量：傳熱面積A、傳熱系數(shù)K、煙氣流量、煙氣比熱、空氣流量、空氣比熱、煙氣進(jìn)口溫度tG14、煙氣出口溫度tG15、空氣進(jìn)口溫度tA8和空氣出口溫度tA9。當(dāng)一臺(tái)空預(yù)器已完成設(shè)計(jì)，需要使用一些指標(biāo)對(duì)其傳熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，其傳熱面積A、傳熱系數(shù)K 是空預(yù)器本身的參數(shù)，是確定的，煙風(fēng)流量和、煙風(fēng)比熱和，以及煙氣進(jìn)口溫度tG14和空氣進(jìn)口溫度tA8是其使用的邊界條件，也是確定的，即有8 個(gè)變量是已知的，通過(guò)方程組可以求出煙氣出口溫度tG15和空氣出口溫度tA9，這兩個(gè)參數(shù)即可以作為評(píng)價(jià)傳熱性能的指標(biāo)。如果在設(shè)計(jì)邊界條件下實(shí)際空預(yù)器的排煙溫度高于設(shè)計(jì)值，或者實(shí)際的熱風(fēng)溫度低于設(shè)計(jì)值，就說(shuō)明實(shí)際空預(yù)器的傳熱性能沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

雖然排煙溫度和熱風(fēng)溫度都可以作為評(píng)價(jià)空預(yù)器傳熱性能的指標(biāo)，但它們兩個(gè)并不是互相獨(dú)立的變量，而是存在內(nèi)在聯(lián)系。從熱平衡方程可知，當(dāng)排煙溫度tG15確定后，熱風(fēng)溫度tA9也就確定了，反之亦然，因此，只使用其中一個(gè)參數(shù)就可以對(duì)空預(yù)器的傳熱性能做出評(píng)價(jià)。

空預(yù)器出口熱空氣處于高溫且正壓的環(huán)境，如常見(jiàn)的采用冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)的機(jī)組，空預(yù)器一次熱風(fēng)側(cè)靜壓一般會(huì)在8kPa 以上，風(fēng)溫超過(guò)280℃，測(cè)試人員在操作測(cè)溫和測(cè)壓設(shè)備時(shí)需要做好隔熱防護(hù)，以防止熱風(fēng)涌出造成灼傷。相比而言，空預(yù)器煙氣出口段處于負(fù)壓環(huán)境，煙氣溫度一般在150℃以下，溫度相對(duì)較低，測(cè)量排煙溫度時(shí)更加安全，從測(cè)量方便和安全的角度來(lái)考慮，評(píng)價(jià)空預(yù)器傳熱性能的指標(biāo)采用排煙溫度更具備實(shí)際可操作性。

需要注意的是，實(shí)際空預(yù)器在運(yùn)行時(shí)不可避免地會(huì)偏離設(shè)計(jì)條件，例如，煙氣進(jìn)口溫度tG14會(huì)因?yàn)槿济撼煞帧⒒鹧嬷行摹⒎旨?jí)燃燒等運(yùn)行條件的的影響而發(fā)生改變，空氣進(jìn)口溫度tA8受環(huán)境溫度的影響而發(fā)生改變，通過(guò)空預(yù)器的煙氣流量和空氣流量受燃煤和爐膛氧量的影響而發(fā)生改變，這些改變都意味著空預(yù)器使用的邊界條件發(fā)生了變化，排煙溫度tG15必然也會(huì)隨之變化，因此，不能用實(shí)際運(yùn)行的排煙溫度直接對(duì)空預(yù)器進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是需要采用合適的計(jì)算方法，將實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)按設(shè)計(jì)邊界條件進(jìn)行修正，用修正后的排煙溫度來(lái)評(píng)價(jià)。ASME PTC 4.3 標(biāo)準(zhǔn)提供了對(duì)排煙溫度完整的修正計(jì)算方法，迄今已使用60 多年，早已被行業(yè)普遍接受，因此使用排煙溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)更為可行。

如果采用熱風(fēng)溫度來(lái)對(duì)空預(yù)器的傳熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)邊界條件發(fā)生改變時(shí)，同樣也需要對(duì)熱風(fēng)溫度進(jìn)行修正。從熱平衡原理可知，如果排煙溫度修正后能夠合格，說(shuō)明空預(yù)器的傳熱性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，意味著熱風(fēng)溫度修正后也會(huì)是合格的，因此也就無(wú)須對(duì)熱風(fēng)溫度進(jìn)行修正，反之，如果排煙溫度修正后不合格，熱風(fēng)溫度修正后也必然不合格。ASME PTC 4.3 只給出了排煙溫度的修正方法，并沒(méi)有給出熱風(fēng)溫度的修正方法。在空預(yù)器性能試驗(yàn)過(guò)程中，也曾出現(xiàn)過(guò)空預(yù)器技術(shù)規(guī)范對(duì)熱風(fēng)溫度提出了要求，但在性能考核時(shí)因拘泥于沒(méi)有熱風(fēng)溫度修正的條文引起爭(zhēng)議的情況，從合理評(píng)價(jià)以及避免引起誤解的角度出發(fā)，只使用排煙溫度作為評(píng)價(jià)空預(yù)器傳熱性能的指標(biāo)是完全可行的。

4 排煙溫度與煙氣側(cè)效率

按ASME PTC 4.3《空預(yù)器性能試驗(yàn)規(guī)程》，煙氣側(cè)效率的定義是空預(yù)器煙氣側(cè)的溫降與最大傳熱溫壓之比：

煙氣側(cè)效率代表了煙氣的放熱量與最大可能的傳熱量的趨近程度，也表示了空預(yù)器傳熱能力的大小，因而也可以作為評(píng)價(jià)空預(yù)器傳熱性能的指標(biāo)。從公式中可以看出，其中的煙氣入口溫度tG14和空氣入口溫度tA8都屬于邊界條件，是確定的，因此煙氣側(cè)效率最終還是取決于排煙溫度tG15，也即煙氣側(cè)效率與排煙溫度也不是互相獨(dú)立的變量，它可以看成排煙溫度的導(dǎo)出量。

ASME PTC 4.3 標(biāo)準(zhǔn)中推薦的煙氣側(cè)效率計(jì)算方法容易受到流經(jīng)空預(yù)器的空氣量與煙氣量、空預(yù)器進(jìn)口空氣溫度及空預(yù)器進(jìn)口煙氣溫度等因素的影響，因此需要修正，才能與設(shè)備生產(chǎn)廠家的性能保證值進(jìn)行比較。如果使用煙氣側(cè)效率作為評(píng)價(jià)傳熱性能的指標(biāo)，當(dāng)邊界條件發(fā)生改變時(shí)，同樣也需要將偏離的條件進(jìn)行修正。從煙氣側(cè)效率的含義看，只要將公式中的煙氣入口溫度tG14和空氣入口溫度tA8取作設(shè)計(jì)值，也即設(shè)計(jì)的邊界條件，將排煙溫度tG15取作修正后的值，計(jì)算出的結(jié)果就是修正后的煙氣側(cè)效率。

由于煙氣側(cè)效率與排煙溫度本質(zhì)上是一致的，ASME PTC 4.3 也沒(méi)有提供煙氣側(cè)效率的修正條文。同樣出于避免在項(xiàng)目執(zhí)行中產(chǎn)生爭(zhēng)議的考慮，相比而言，選定排煙溫度而不是煙氣側(cè)效率作為空預(yù)器傳熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，更具備可執(zhí)行性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)空預(yù)器的熱平衡方程和傳熱過(guò)程分析，排煙溫度、熱風(fēng)溫度和煙氣側(cè)效率都可以作為評(píng)價(jià)空預(yù)器傳熱性能的指標(biāo)，但它們不是互相獨(dú)立的參數(shù)，而是存在內(nèi)在聯(lián)系的，一旦一個(gè)參數(shù)確定了，另外2 個(gè)參數(shù)也會(huì)隨之確定。

空預(yù)器的排煙溫度測(cè)量起來(lái)更加方便和安全，而且當(dāng)邊界條件發(fā)生偏離時(shí)，ASME PTC 4.3 給出了完備的修正計(jì)算方法，更適合作為評(píng)價(jià)空預(yù)器傳熱性能的指標(biāo)。熱風(fēng)溫度、煙氣側(cè)效率從傳熱原理上講也可以進(jìn)行修正，但由于標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出具體條文，為避免在項(xiàng)目執(zhí)行中引起爭(zhēng)議，不建議采用。