圓臺(tái)式新型空預(yù)器技術(shù)應(yīng)用與改進(jìn)

賈啟月 劉廣震

（天津大港發(fā)電廠 天津 300272）

圓臺(tái)式新型空預(yù)器技術(shù)應(yīng)用與改進(jìn)

賈啟月 劉廣震

（天津大港發(fā)電廠 天津 300272）

文章詳細(xì)描述了圓臺(tái)式新型空預(yù)器的結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理，技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合天津大港發(fā)電廠鍋爐實(shí)際情況提出詳細(xì)的空預(yù)器改造方案，通過圓臺(tái)空預(yù)器技術(shù)改造方案的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)安裝脫硝裝置后對(duì)空預(yù)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(dá)到節(jié)能減排的目的。

圓臺(tái)空預(yù)器；技術(shù)；應(yīng)用；改進(jìn)

引言

天津大港發(fā)電廠1、2號(hào)機(jī)組為328.5MW燃煤機(jī)組，分別于2005年5月和2004年12月完成油改煤改造投產(chǎn)。為滿足國(guó)家環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)的要求，在1、2號(hào)機(jī)組安裝氣脫硝裝置，由于煙氣中含有SO2、SO3，容易和從SCR反應(yīng)器中逃逸的還原劑氨發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫氨。而硫酸氫氨在空預(yù)器的中溫段和低溫段的溫度區(qū)間內(nèi)具有很強(qiáng)的粘性，容易吸附灰塵堵塞空預(yù)器，危及空預(yù)器的正常運(yùn)行，會(huì)迫使鍋爐機(jī)組停運(yùn)次數(shù)增加，并且1、2號(hào)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(yù)器易堵塞問題，開展圓臺(tái)式新型空預(yù)器技術(shù)應(yīng)用與改進(jìn)研究工作。

天津大港發(fā)電廠成立了由生產(chǎn)副廠長(zhǎng)為組長(zhǎng)，技術(shù)骨干為組員的圓臺(tái)式空預(yù)器應(yīng)用與改進(jìn)研究小組，在國(guó)神公司各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的正確指導(dǎo)下，在全廠各部門的密切配合協(xié)作下，通過多次方案的論證比較，大量技術(shù)細(xì)節(jié)的改進(jìn)，并經(jīng)過連續(xù)50多天改造施工奮戰(zhàn)，圓滿完成了圓臺(tái)式空預(yù)器應(yīng)用與改進(jìn)研究工作，取得了較好的成效。

1 概述

天津大港發(fā)電廠1、2號(hào)鍋爐空預(yù)器原設(shè)計(jì)按不設(shè)脫硝裝置配置的空預(yù)器，單臺(tái)鍋爐配有兩臺(tái)全模式、雙密封、三分倉(cāng)容克式空預(yù)器，立式布置，煙氣與空氣以逆流方式換熱?？疹A(yù)器型號(hào)為28.5-VI(T)-1720-SMR，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向?yàn)槟孓D(zhuǎn)，即先加熱二次風(fēng)再加熱一次風(fēng)。空預(yù)器為48隔倉(cāng)，采用固定式三密封和環(huán)向密封系統(tǒng)。

2 圓臺(tái)式空預(yù)器結(jié)構(gòu)與原理

國(guó)內(nèi)外所有的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)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(yù)器設(shè)計(jì)是控制高溫端介質(zhì)流速，達(dá)到介質(zhì)流過受熱面?zhèn)鳠嵝屎彤a(chǎn)生的阻力在較佳數(shù)值，而低溫端介質(zhì)流速過低，傳熱效率低下，總的換熱效率無法達(dá)到最佳效果；且極易積灰和形成堵塞。本次應(yīng)用的新技術(shù)是空預(yù)器轉(zhuǎn)子采用圓臺(tái)（錐形）結(jié)構(gòu)，通過截面積變化控制介質(zhì)流速，使介質(zhì)流過空預(yù)器整個(gè)受熱面的速度更均勻，保持空預(yù)器全部受熱面的換熱效率在較佳范圍和介質(zhì)流過預(yù)熱總阻力降低，同時(shí)由于低溫端介質(zhì)流速的提高使空預(yù)器低溫端的自清洗能力增強(qiáng)，改善空預(yù)器低溫端極易積灰狀況。

2.1 圓臺(tái)式空預(yù)器結(jié)構(gòu)

圓臺(tái)式空預(yù)器為熱端大，冷端小結(jié)構(gòu)，顛覆了傳統(tǒng)空預(yù)器固有圓柱形式，更符合空預(yù)器設(shè)計(jì)理論，圓臺(tái)式結(jié)構(gòu)截面積的變化最適合空預(yù)器溫度從高溫到低溫的遞減，空預(yù)器冷熱端煙氣和空氣流速能得到控制，空預(yù)器的煙風(fēng)流速處于可調(diào)控狀態(tài)?？疹A(yù)器熱端煙風(fēng)流速降低，冷端煙風(fēng)流速提高，冷熱端流速相對(duì)接近，提高了空預(yù)器的傳熱能力，降低了煙風(fēng)阻力。圓臺(tái)式空預(yù)器傳熱元件片布置與傳統(tǒng)空預(yù)器換熱元件布置不同，由圓周方向布置變?yōu)檠貜较蚍较虿贾茫欣跓燂L(fēng)在轉(zhuǎn)子倉(cāng)內(nèi)流通，使同一截面煙風(fēng)流速更均勻。

2.2 技術(shù)原理

原空預(yù)器高溫端和低溫段介質(zhì)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(shí)上當(dāng)介質(zhì)流速在一定范圍內(nèi)時(shí)傳熱效率才能達(dá)到最佳?？疹A(yù)器的設(shè)計(jì)是控制高溫端介質(zhì)流速，是介質(zhì)流過受熱面的傳熱效率和生產(chǎn)的阻力在較佳數(shù)值，這樣低溫端由于介質(zhì)流速過低，傳熱效率低下，總的換熱效率無法達(dá)到較佳；同時(shí)由于低溫端介質(zhì)流速過低，極易積灰和形成堵塞。用改進(jìn)流通面積的方法來調(diào)節(jié)煙風(fēng)速度，如下公式；

式中：B—煙風(fēng)消耗量;V—煙風(fēng)體積;t—煙風(fēng)平均溫度（℃）。

當(dāng)v為常數(shù)時(shí)，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(dāng)溫度t變化時(shí)（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(tái)空預(yù)器示意圖所示也可理解為當(dāng)流通面積f變化時(shí)降低了進(jìn)入空預(yù)器煙速，降低了離開空預(yù)器風(fēng)速，解決了空預(yù)器熱端煙風(fēng)流速偏高問題。提高了進(jìn)入空預(yù)器風(fēng)速，提高了離開空預(yù)器煙速，解決了空預(yù)器冷端煙風(fēng)流速偏低問題。

圓臺(tái)式空預(yù)器采用熱端截面大于冷端截面的結(jié)構(gòu)形式，使流經(jīng)空預(yù)器的煙氣和空氣更接近勻速流動(dòng)，接近最佳換熱流速的范圍，空預(yù)器內(nèi)介質(zhì)流速控制在9～13m/s傳熱系數(shù)最高，如圖1：傳熱系數(shù)與氣流速度關(guān)系圖所示，在最佳換熱流速范圍傳熱元件的傳熱系數(shù)高，從而空預(yù)器整體換熱效率高，實(shí)現(xiàn)較小的體積達(dá)到較好的換熱效果，降低空預(yù)器的投資和維護(hù)成本。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

圓臺(tái)式空預(yù)器采用熱端截面大于冷端截面的結(jié)構(gòu)形式，使流經(jīng)空預(yù)器的煙氣和空氣更接近勻速流動(dòng)，接近最佳換熱流速的范圍，具有以下特點(diǎn)：

（1）降低了進(jìn)入空預(yù)器煙速，降低了離開空預(yù)器風(fēng)速，解決了空預(yù)器熱端煙風(fēng)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(jìn)入空預(yù)器風(fēng)速，提高了離開空預(yù)器煙速，解決了空預(yù)器冷端煙風(fēng)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(yù)器冷端和熱端煙風(fēng)流速更接近最佳范圍內(nèi)，換熱能力更接近最大化。

（4）由于熱端煙風(fēng)流速與冷端煙風(fēng)流速之比減少，阻力更接近最小化。

（5）空預(yù)器冷端煙風(fēng)速度提高，自清洗能力增加，空預(yù)器抗堵塞能力增強(qiáng)。

圖1 傳熱系數(shù)與氣流速度關(guān)系圖

（6）空預(yù)器熱端煙風(fēng)速度降低，減輕對(duì)熱端傳熱元件的沖刷，熱端元件壽命會(huì)提高

（7）在總換熱量相等時(shí)，傳熱元件重量會(huì)降低，投資成本下降。

（8）在總傳熱面積相等時(shí)，換熱量增加，排煙溫度下降，煙風(fēng)阻力降低。

3 應(yīng)用情況

1、2號(hào)鍋爐空預(yù)器采用新型圓臺(tái)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子熱端直徑放大600mm,圓臺(tái)式轉(zhuǎn)子的中徑與29號(hào)空預(yù)器直徑相等，轉(zhuǎn)子隔板加高200mm,改后的空預(yù)器熱端煙氣流速?gòu)?4.5m/s降到12.5m/s，在最佳換熱流速范圍內(nèi)，從而提高換熱元件換熱效率，減小煙氣對(duì)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(jīng)過詳細(xì)論證和計(jì)算，空預(yù)器熱端直徑10782mm，空預(yù)器冷端直徑10376mm，空預(yù)器熱端煙氣流速為12.5m/s，空預(yù)器冷端煙氣流速為7.6m/s，冷熱端煙氣流速比從原設(shè)計(jì)0.52增到0.61，同時(shí)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?yōu)檠貜较蚍较虿贾?，有利于煙風(fēng)在轉(zhuǎn)子倉(cāng)內(nèi)流通，使同一截面煙風(fēng)流速更均勻。具體改造內(nèi)容如下：

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

（2）提高空預(yù)器受熱面的高度，空預(yù)器傳熱元件凈高度從現(xiàn)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(hào)為XLE4。中間層高度為1000mm，型號(hào)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(tái)式轉(zhuǎn)子中煙風(fēng)流動(dòng)。

（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(yù)器內(nèi)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(fēng)流動(dòng)，傳熱元件的拆裝全部在垂直方向進(jìn)行。

（6）更換空預(yù)器主座架和軸向密封板，并對(duì)外殼其它部分作相應(yīng)改造，適應(yīng)轉(zhuǎn)子的變化。

（7）更換空預(yù)器熱端連接環(huán)。并對(duì)熱端過渡煙風(fēng)道路相應(yīng)改造，熱端旁路密封相應(yīng)隨轉(zhuǎn)子加大、加高進(jìn)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(fēng)之間為三密封結(jié)構(gòu)，保證空預(yù)器較低的漏風(fēng)率。

（10）熱端端軸采用迷宮式銅環(huán)密封。

（11）經(jīng)核算改后空預(yù)器的載荷，空預(yù)器冷端桁架不需加強(qiáng)，原支承軸承 (SKF294/500)靜負(fù)荷能力為3350噸，3350/231=14.5＞8,空預(yù)器軸承不需更換。冷端中心桁架是一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。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(yù)器靜載（231噸），冷端中心桁架強(qiáng)度和變形量滿足要求，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

（12）空預(yù)器吹灰和清洗按脫硝后標(biāo)準(zhǔn)配制，熱端為蒸汽吹灰器，冷端為蒸汽和高壓水雙介質(zhì)吹灰器。

3.2 技術(shù)優(yōu)化

1、2號(hào)鍋爐應(yīng)用圓臺(tái)式新型空預(yù)器技術(shù)改造中，遇到了很多技術(shù)問題和施工難題，通過研究小組的研究討論，主要對(duì)圓臺(tái)式空預(yù)器的設(shè)計(jì)和施工方面進(jìn)行了以下技術(shù)優(yōu)化：

（1）傳熱元件支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)：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(guī)格為50×40×10mm。

（2）扇形板和弧形板調(diào)節(jié)螺桿密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)：原來密封結(jié)構(gòu)為盤根盒壓蘭密封結(jié)構(gòu)，改為迷宮+密封蓋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)密封性能，保證了密封嚴(yán)密不泄漏。

（3）換熱元件布置方式與改進(jìn)：圓臺(tái)式空預(yù)器為熱端直徑大，冷端直徑小。為了使圓臺(tái)式空預(yù)器介質(zhì)流動(dòng)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(tái)式空預(yù)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(huán)向隔板適當(dāng)位置開孔，便于C、D盒中介質(zhì)的相互流通，更有利于均勻流速和增強(qiáng)換熱效果。

圖2 圓臺(tái)式空預(yù)器換熱元件布置示意圖

（4）施工工藝改進(jìn)：1號(hào)鍋爐空預(yù)器轉(zhuǎn)子改造施工中，傳熱元件支撐格柵全部拆除后，轉(zhuǎn)子徑向隔板變形嚴(yán)重，造成環(huán)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(duì)此問題經(jīng)過研究小組的討論研究，確定在2號(hào)鍋爐空預(yù)器改造施工工藝改為間隔拆除支撐格柵，即隔一個(gè)倉(cāng)格拆除支撐格柵，安裝環(huán)向隔板焊接后，再拆除剩下的支撐格柵，安裝環(huán)向隔板和傳熱元件。采用改進(jìn)后的施工工藝，轉(zhuǎn)子變形小，保證了每個(gè)傳熱元件倉(cāng)格外形尺寸，使環(huán)向隔板和傳熱元件安裝順利，提高了施工質(zhì)量和效率，使空預(yù)器改造工期提前了2天。

4 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

2013年4月和11月，分別完成1、2號(hào)鍋爐圓臺(tái)式新型空預(yù)器技術(shù)應(yīng)用改造工作，改造后空預(yù)器的傳熱效率提高，排煙溫度下降明顯，鍋爐效率提高，空預(yù)器的煙風(fēng)阻力降低，風(fēng)機(jī)能耗下降，空預(yù)器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)值，空預(yù)器運(yùn)行穩(wěn)定。

4.1 應(yīng)用效果

（1）2013年4月24日，1號(hào)機(jī)組在滿負(fù)荷時(shí)，西安熱工研究院有限公司進(jìn)行了1號(hào)鍋爐空預(yù)器改造后性能試驗(yàn)，提交《1號(hào)鍋爐空氣預(yù)熱器性能試驗(yàn)報(bào)告》結(jié)論為：

1）A、B側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率分別為5.69%和5.35%，均低于保證值6%。

2）A、B側(cè)空預(yù)器出口實(shí)測(cè)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(cè)空預(yù)器煙氣側(cè)進(jìn)、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(hào)機(jī)組在滿負(fù)荷時(shí)，華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司進(jìn)行了2號(hào)鍋爐空預(yù)器改造后性能試驗(yàn)，提交《2號(hào)鍋爐空預(yù)器改造后性能測(cè)試試驗(yàn)報(bào)告》結(jié)論為：

1）A側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率分別為5.05%；A側(cè)空預(yù)器漏風(fēng)率分別為5.88%，空預(yù)器漏風(fēng)率滿足性能保證小于6%的要求。

2）A側(cè)空預(yù)器排煙溫度為129.5℃，B側(cè)空預(yù)器排煙溫度為123.1℃，兩側(cè)平均為124.8℃，低于125℃保證值要求。

3）A側(cè)空預(yù)器煙氣壓降為0.96KPa，B側(cè)空預(yù)器煙氣壓降為0.91KPa，小于1.34KPa保證值要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

西安熱工研究院有限公司《1號(hào)鍋爐空氣預(yù)熱器性能試驗(yàn)報(bào)告》和華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司《2號(hào)鍋爐空預(yù)器改造后性能測(cè)試試驗(yàn)報(bào)告》中結(jié)論可以看出，空預(yù)器漏風(fēng)率均低于6%保證值，煙氣側(cè)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(fā)電煤耗下降約1.5g/kwh。并且空預(yù)器阻力較改造前有明顯下降，一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)電耗明顯下降。

鍋爐的發(fā)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(duì)改善社會(huì)環(huán)境具有促進(jìn)作用，社會(huì)效益巨大。

采用圓臺(tái)式空預(yù)器對(duì)通過空預(yù)器的煙風(fēng)速度進(jìn)行控制，同比圓柱式空預(yù)器的傳熱能力提高了約8%，煙風(fēng)阻力下降了10%，空預(yù)器其它性能參數(shù)與圓柱式空預(yù)器的相當(dāng)，圓臺(tái)式空預(yù)器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，同比圓柱式空預(yù)器成本下降了約16%。同時(shí)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(yùn)行和維護(hù)成本下降。天津大港發(fā)電廠1、2號(hào)鍋爐空預(yù)器于2013年改造為圓臺(tái)式空預(yù)器后，至今已經(jīng)投入運(yùn)行3年多的時(shí)間，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]袁德史明武吳鐵山等，現(xiàn)代電站鍋爐技術(shù)及其改造中國(guó)電力出版社，2006年4月；

[2]李建平劉寶石徐佰強(qiáng)，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)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(qiáng)，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器運(yùn)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(xiàn)任神華國(guó)能天津大港發(fā)電廠有限公司維護(hù)車間副主任，鍋爐專業(yè)。

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