135 MW循環(huán)流化床鍋爐空氣預(yù)熱器選型分析

翟永軍

（太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030021）

引言

在大型鍋爐中，空氣預(yù)熱器是不可或缺的重要部件。作為利用鍋爐尾部煙氣的熱量來預(yù)熱空氣，提高鍋爐效率的一個重要設(shè)備，空氣預(yù)熱器的效能對機(jī)組效率有很大影響。隨著循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展，空氣預(yù)熱器也越來越受到重視。由于循環(huán)流化床鍋爐的特殊性，其風(fēng)壓比煤粉爐明顯高。尤其是鍋爐的大型化及大容量化，空氣預(yù)熱器設(shè)計的好壞直接影響到整個鍋爐的安全穩(wěn)定運行。原則上，空氣預(yù)熱器的選型應(yīng)在鍋爐總體方案設(shè)計時進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，得出最佳方案[1]。

本文以一臺135 MW超高壓中間一次再熱循環(huán)流化床鍋爐為例，分別按立式管式空氣預(yù)熱器和臥式管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行性能計算，對計算數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)做比較分析，并在目前管式空氣預(yù)熱器常出現(xiàn)問題的基礎(chǔ)上，對兩種不同結(jié)構(gòu)型式空氣預(yù)熱器進(jìn)行簡單的討論。

1 分析比較條件界定

135 MW超高壓中間一次再熱循環(huán)流化床鍋爐采用單汽包自然循環(huán)、集中下降管、爐膛全膜式水冷壁、絕熱式旋風(fēng)氣固分離器、尾部豎井煙道、平衡通風(fēng)、循環(huán)流化燃燒方式，整體呈型布置。鍋爐主要由汽包、懸吊式全膜式水冷壁爐膛、絕熱式旋風(fēng)分離器、U型返料回路以及豎井對流受熱面組成。

為了能夠方便分析立管式和臥管式兩種布置結(jié)構(gòu)，在做性能計算之前預(yù)先制定了前提條件：將空氣預(yù)熱器作為單獨個體來考慮，其余結(jié)構(gòu)做為一個整體，進(jìn)行一次計算。在都能達(dá)到鍋爐所要求性能情況下，得出兩種型式的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及熱力性能參數(shù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)和熱力計算數(shù)據(jù)進(jìn)行135 MW循環(huán)流化床鍋爐空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計。該鍋爐尾部煙道尺寸為7 020 mm×12 360 mm，空氣預(yù)熱器的空間布置需在這個區(qū)域進(jìn)行考慮。

2 性能設(shè)計比較分析

2.1 傳熱系數(shù)

從熱力性能計算的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，立管式空預(yù)器總傳熱系數(shù)低于臥管式。由于傳熱系數(shù)的差異，立管式空預(yù)器受熱面積相當(dāng)于臥管式空預(yù)器的1.45倍之多。這僅僅是理論計算數(shù)據(jù)，如果考慮實際運行的話，由于積灰、漏風(fēng)等原因，傳熱系數(shù)會有所下降，空預(yù)器所需要的受熱面積也會有所增加。

2.2 煙風(fēng)阻力

從煙風(fēng)阻力計算結(jié)果看，煙氣側(cè)阻力兩者比較接近，而在空氣側(cè)，立式管式空氣預(yù)熱器要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臥式管式空氣預(yù)熱器。這樣鍋爐如果按立式管式結(jié)構(gòu)設(shè)計空氣預(yù)熱器時，將來鼓風(fēng)機(jī)的選取參數(shù)會非常大，廠用電率也會大大增加。

2.3 低溫腐蝕

導(dǎo)致管式空氣預(yù)熱器低溫腐蝕的原因主要有兩個，第一是腐蝕源；第二是腐蝕條件。

臥管式空預(yù)器煙氣在管外沖刷，對流換熱系數(shù)大，對管子的加熱較強(qiáng)；空氣在管內(nèi)縱向沖刷，對流換熱系數(shù)較小，對管子的冷卻較弱，這樣管壁溫度可以高一些，立管式正好相反。同條件下，臥式比立式管子壁溫可高出20~30 ℃。

空氣預(yù)熱器低溫腐蝕最嚴(yán)重的部位是煙氣出口處，采用臥式布置時，腐蝕嚴(yán)重的是下部幾排管子，檢修時只需要換下部幾排管子，而立式布置時腐蝕的位置是整個管箱的所有管口，需要更換整個管箱。

因此在防止低溫腐蝕方面，臥管式空氣預(yù)熱器比立管式占有一定的優(yōu)勢，可以減小檢修的勞動強(qiáng)度，保證鍋爐燃燒效果。

2.4 積灰

積灰方面，臥管式比立管式具有優(yōu)勢。立管式空預(yù)器由于煙氣阻力的關(guān)系，流速不能選得太高，加上煙氣流通截面小，極易造成堵灰現(xiàn)象。而臥管式空預(yù)器雖然煙氣流速相對較高，但由于管子采用順列布置，煙氣流通截面大，再加上管子直徑偏大，同樣存在嚴(yán)重的積灰搭橋現(xiàn)象。優(yōu)勢在于臥管式空氣預(yù)熱器產(chǎn)生積灰后，處理難度要小得多，再加上臥管式在低溫腐蝕方面占有優(yōu)勢，切斷了由于低溫腐蝕造成的積灰產(chǎn)生源。在條件允許的情況下，臥管式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)更值得推薦。

2.5 漏風(fēng)

隨著鍋爐的大型化及大容量化，對于風(fēng)壓要求也變得更高，就以135 MW級別鍋爐為例，一次風(fēng)壓高達(dá)15 000~20 000 Pa，空氣預(yù)熱器風(fēng)煙兩側(cè)的壓差也高達(dá)18 000~23 000 Pa。這樣情況下，臥管式比立管式占有優(yōu)勢。臥管式布置，空氣在管內(nèi)流動，對于空氣泄漏問題上更容易密封，如采用順列排列方式還可以減輕飛灰對管子的磨損[2]。

另外，對于管式空氣預(yù)熱器來說，煙氣與空氣之間易產(chǎn)生泄漏的主要地方是管子與管板間的間隙以及聯(lián)通箱護(hù)板間隙。立管式和臥管式雖然布置不同，但在此部分的結(jié)構(gòu)上較類似，且在密封處理上所采用的措施也基本相同。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計比較分析

3.1 布置高度

影響空預(yù)器選型的第一條原則是考慮尾部煙道中空氣預(yù)熱器的安裝空間。以480 t/h超高壓中間一次再熱循環(huán)流化床鍋爐為例：如采用立管式結(jié)構(gòu)布置，整體為五流程，布置高度達(dá)到20 550 mm；如采用臥管式結(jié)構(gòu)布置，一、二次風(fēng)上、下分層交錯，整體為三流程，布置高度達(dá)到12 930 mm?？梢钥闯?，立管式空預(yù)器的高度比臥管式要高得多。如采用立管式結(jié)構(gòu)，整個鍋爐標(biāo)高要整體往上抬，無論從經(jīng)濟(jì)性還是整體布置上，應(yīng)該說都是非常不合理的。在這種情況下，應(yīng)該首先考慮采用臥管式空預(yù)器。

3.2 膨脹

立管式空預(yù)器受熱時向上膨脹，對于垂直方向膨脹考慮較多，通常采用管箱和煙風(fēng)道之間設(shè)置膨脹節(jié)、管子與護(hù)架之間設(shè)置小膨脹節(jié)的型式來處理。膨脹節(jié)一方面解決膨脹問題，一方面防止熱煙氣、冷空氣互竄。

但臥管式空預(yù)器設(shè)計時，與立管式結(jié)構(gòu)正好相反，對于水平方向膨脹考慮較多。1）管箱重量較大，水平方向周圈設(shè)置整體膨脹中心，通過管板加雙層墊板的方式直接將管板放在橫梁上。2）對于管子與護(hù)架間的膨脹，采用了在管箱縱向增設(shè)小膨脹節(jié)的方式，極大地改善了管箱的工作條件，對管箱的使用壽命也有了一定的保證。此結(jié)構(gòu)既保證了膨脹的作用，又具有密封作用。但是此處的膨脹節(jié)占去了連通箱與管板之間的連接空間，使得連通箱與管板連接強(qiáng)度大大下降。管箱的體積龐大，帶來的是連通箱體積增大，雖然從其它方面對此采取了一些加強(qiáng)措施，但仍有存在問題的隱患。

3.3 支撐

對于立管式空預(yù)器的支撐，設(shè)計上比較容易處理，管板水平布置，直接放在兩側(cè)支撐梁上。計算時將下管板簡化為一個簡支梁的模型。

但是臥管式空預(yù)器受到很大的限制，主要有以下幾方面：

1）管子水平布置，管板呈垂直狀態(tài)，支撐在支撐梁上。由于管箱管板的位置限定，導(dǎo)致支撐梁的位置被限定，上下管箱之間的布置及連接方式變得難以處理。受支撐梁的影響，管箱出廠時必須事先焊很多的折板，作為密封之用，否則現(xiàn)場無法進(jìn)行施工。這無形中加大了設(shè)計及廠內(nèi)制造的成本。

2）管子水平布置，考慮到支撐強(qiáng)度，在選用管材規(guī)格及管板厚度時非常慎重。同時由于煙道尺寸較大，管子長度也相應(yīng)較長，應(yīng)考慮是否增加中管板，并采用三點支撐方式。但是，三點支撐方式使得本來就難以布置的連接煙道結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這樣，無論是結(jié)構(gòu)還是密封上都存在著很大的隱患。

4 結(jié)語

1）135 MW循環(huán)流化床鍋爐空氣預(yù)熱器選型時，考慮到尾部煙道中布置空間限制，應(yīng)該首先考慮采用臥管式結(jié)構(gòu)。

2）立管式空預(yù)器結(jié)構(gòu)簡單，具體布置時也比臥管式容易實現(xiàn)，而臥管式受本身結(jié)構(gòu)的限制，在膨脹、支撐等問題上變得非常復(fù)雜及難處理。

3）在135 MW循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計中，在性能方面，臥管式空預(yù)器要優(yōu)于立管式。根據(jù)本文傳熱系數(shù)和工質(zhì)流速的計算結(jié)果，臥管式空預(yù)器也比較容易解決低溫腐蝕、積灰及漏風(fēng)等問題。

[1] 馮俊凱.循環(huán)流化床燃燒鍋爐正常運行的規(guī)律[J].能源研究與信息,2000(1):1-6.

[2] 呂俊復(fù),張建勝,岳光溪.循環(huán)流化床鍋爐運行與檢修[M],北京:中國水利水電出版社,2003.

[3] 侯益銘,霍國生.兩種空氣預(yù)熱器密封技術(shù)比較[J].電力技術(shù),2003,18(3):248-250.