空氣預(yù)熱器在電廠熱機系統(tǒng)中的性能優(yōu)化研究

國能福州（熱電）有限公司 王 興

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

1 空氣預(yù)熱器的工作原理與性能分析

1.1 空氣預(yù)熱器的基本工作原理

空氣預(yù)熱器是熱電廠熱機系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要任務(wù)是將燃燒前的空氣預(yù)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(yù)熱。當熱煙氣通過預(yù)熱器時，通過換熱面?zhèn)鬟f熱量到空氣中，提高了空氣的溫度。此方法優(yōu)點是提高燃燒效率，減少燃料消耗，同時減少排放，降低環(huán)境污染。總體來說，空氣預(yù)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(yù)熱，提高了熱機系統(tǒng)的整體熱效率。

1.2 空氣預(yù)熱器的性能指標

空氣預(yù)熱器的性能主要由幾個關(guān)鍵指標來衡量：預(yù)熱效率、壓力損失和機械可靠性。預(yù)熱效率反映了空氣預(yù)熱器利用煙氣余熱進行預(yù)熱的能力，一般來說，預(yù)熱效率越高，表明空氣預(yù)熱器的性能越好。壓力損失是指空氣在預(yù)熱器中流動時因為阻力產(chǎn)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(yù)熱器在長時間運行中的穩(wěn)定性和耐久性，對于電廠熱機系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行至關(guān)重要[1]。

圖1 空氣預(yù)熱器的基本工作原理

1.3 空氣預(yù)熱器的性能分析與評估

空氣預(yù)熱器是電廠熱機系統(tǒng)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(shè)備的使用壽命。因此，進行空氣預(yù)熱器的性能分析與評估是至關(guān)重要的。

首先，應(yīng)進行定期數(shù)據(jù)收集。這包括入口和出口的溫度和壓力等運行數(shù)據(jù)。入口和出口的溫度數(shù)據(jù)可以用來計算預(yù)熱器的熱效率，即預(yù)熱器能將多少熱量傳遞給進入的空氣。壓力數(shù)據(jù)可用來計算預(yù)熱器的壓力損失，即空氣通過預(yù)熱器時能量的損失。這兩項指標都可反映預(yù)熱器的運行效率；然后，應(yīng)對收集到的數(shù)據(jù)進行深入分析。分析結(jié)果可幫助人們了解預(yù)熱器的運行狀態(tài)，以及可能存在的問題。例如，如果熱效率過低，可能意味著預(yù)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(yù)熱器內(nèi)部存在堵塞或者結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。對這些問題的早期發(fā)現(xiàn)和處理，可有效地提高電廠的運行效率，延長設(shè)備的使用壽命。

除了數(shù)據(jù)分析，還應(yīng)定期進行機械檢查，評估預(yù)熱器的機械可靠性。這包括檢查預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)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(yù)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(jié)果不僅受到設(shè)備本身性能的影響，也受到系統(tǒng)運行條件和環(huán)境因素的影響。例如，氣候變化可能會影響預(yù)熱器的熱交換效率，因為氣候變化會改變進入預(yù)熱器的空氣的溫度和濕度。同時，系統(tǒng)運行條件的變化（如負荷變化）也可能影響預(yù)熱器的壓力損失。

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

2 電廠熱機系統(tǒng)的熱效率分析

2.1 熱機系統(tǒng)的工作原理

熱機系統(tǒng)是電廠中的核心部分，其負責將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，然后再轉(zhuǎn)化為電能。該過程主要包括三個步驟：燃料燃燒、熱能轉(zhuǎn)化為機械能、機械能轉(zhuǎn)化為電能。燃料燃燒通常在燃燒室中進行，產(chǎn)生的熱能會使工質(zhì)（如蒸汽）加熱膨脹，驅(qū)動汽輪機旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機械能。進而，汽輪機驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。在此過程中，空氣預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、渦輪機和冷卻系統(tǒng)等設(shè)備都起著重要作用。特別是空氣預(yù)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(tǒng)中空氣預(yù)熱器的作用

在熱機系統(tǒng)中，空氣預(yù)熱器起著至關(guān)重要的作用。首先，通過預(yù)熱燃燒空氣，空氣預(yù)熱器可提高燃料的燃燒效率。因為預(yù)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(yù)熱器可有效利用熱機系統(tǒng)中的余熱。通過將熱煙氣中的熱量傳遞給燃燒空氣，空氣預(yù)熱器不僅能提高燃燒效率，還可降低熱機系統(tǒng)的熱損失。此外，空氣預(yù)熱器還可以減少燃料消耗，降低運行成本，減少環(huán)境污染。

圖2 熱機系統(tǒng)的工作原理

2.3 空氣預(yù)熱器對熱機系統(tǒng)熱效率的影響

空氣預(yù)熱器對熱機系統(tǒng)的熱效率有直接的影響。熱效率是指熱機系統(tǒng)能夠?qū)⑤斎氲臒崮苻D(zhuǎn)化為有用工作的能力，其是衡量系統(tǒng)性能的重要指標。通過預(yù)熱燃燒空氣，空氣預(yù)熱器可提高燃料的燃燒效率，從而提高系統(tǒng)的熱效率。此外，空氣預(yù)熱器通過利用熱煙氣中的余熱，減少了系統(tǒng)的熱損失，進一步提高了熱效率。在實際運行中，如果空氣預(yù)熱器的性能下降，例如預(yù)熱效率降低或壓力損失增大，都會導(dǎo)致熱機系統(tǒng)的熱效率下降。因此，保持空氣預(yù)熱器的高性能運行，對于提高熱機系統(tǒng)的熱效率至關(guān)重要。

更重要的是，空氣預(yù)熱器對熱機系統(tǒng)熱效率的影響不僅限于單個設(shè)備，而是影響整個系統(tǒng)。例如，預(yù)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(fā)電機的負荷。同樣，通過減少熱損失，空氣預(yù)熱器也可減少冷卻系統(tǒng)的負荷，提高整個系統(tǒng)的運行效率。

3 空氣預(yù)熱器的性能優(yōu)化策略

3.1 提高空氣預(yù)熱器的傳熱效率

提高空氣預(yù)熱器的傳熱效率對熱機系統(tǒng)性能至關(guān)重要。具體優(yōu)化策略包括：設(shè)計和材料優(yōu)化。例如，采用高熱傳導(dǎo)性能材料和擴大換熱面積的設(shè)計，同時確保換熱面清潔以避免熱量傳遞的阻礙；操作參數(shù)調(diào)整。調(diào)節(jié)煙氣和空氣流速以影響其在預(yù)熱器中的停留時間，從而優(yōu)化熱量傳遞。同時，調(diào)控預(yù)熱器的溫度和壓力，改變熱量傳遞的驅(qū)動力；應(yīng)用先進監(jiān)測和控制技術(shù)。通過實時監(jiān)測預(yù)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(diào)整操作參數(shù)，確保預(yù)熱器保持最佳運行狀態(tài)。

3.2 減少空氣預(yù)熱器的壓力損失

減少空氣預(yù)熱器壓力損失對熱機系統(tǒng)能效和穩(wěn)定性起著重要作用。優(yōu)化策略包括：設(shè)計改進。優(yōu)化流道設(shè)計，減少彎頭和突變部位，減輕空氣流動阻力，選擇適當?shù)膿Q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(dǎo)致的流道變窄，降低壓力損失；運行參數(shù)優(yōu)化。調(diào)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(yù)熱溫度和壓力設(shè)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(dǎo)致的壓力損失增大。

3.3 提高空氣預(yù)熱器的可靠性和穩(wěn)定性

空氣預(yù)熱器的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。提高策略包括：設(shè)計優(yōu)化和材料選擇。充分考慮結(jié)構(gòu)強度、熱膨脹和熱應(yīng)力，保證預(yù)熱器在高壓高溫環(huán)境下穩(wěn)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(yù)熱器，保持通道暢通，減少壓力損失，及時發(fā)現(xiàn)和處理損壞、漏風、泄漏等問題，防止故障擴大；監(jiān)測和故障診斷。利用溫度、壓力、振動等傳感器實時監(jiān)測預(yù)熱器狀態(tài)，基于數(shù)據(jù)分析和故障診斷算法，識別異常行為和潛在故障，及時修復(fù)和維護，保證預(yù)熱器可靠性和穩(wěn)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(yù)熱器性能優(yōu)化至關(guān)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(shè)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(shù)監(jiān)測。使用傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測關(guān)鍵運行參數(shù)，如溫度、壓力和流量等，提前預(yù)警并修復(fù)問題；培訓(xùn)和知識共享。對維護人員進行培訓(xùn)，建立知識共享平臺，促進經(jīng)驗和最佳實踐的交流，推動清理和維護策略的不斷優(yōu)化。

4 實際案例

某電廠中的空氣預(yù)熱器，歷來存在效率低下的問題。該電廠工程師發(fā)現(xiàn)，由于空氣預(yù)熱器性能不佳，直接導(dǎo)致了整個熱機系統(tǒng)的熱效率下降，增加了環(huán)境排放。在詳細了解并深入研究空氣預(yù)熱器的工作原理之后，電廠專業(yè)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(yōu)化空氣預(yù)熱器的換熱元件設(shè)計，如選用高性能材料，改進結(jié)構(gòu)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(yōu)化煙道結(jié)構(gòu)、改進流道設(shè)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(yù)熱器的性能；還提出了提高可靠性和穩(wěn)定性的策略，定期進行維護，避免因設(shè)備故障造成的停機，從而確保了空氣預(yù)熱器的持續(xù)穩(wěn)定運行；還提出了高效的清理和維護策略，定期清理空氣預(yù)熱器內(nèi)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(yōu)化策略之后，該電廠的空氣預(yù)熱器性能得到了顯著提高，熱機系統(tǒng)的熱效率提高了8%，環(huán)境排放也得到了有效地降低。

5 結(jié)語

空氣預(yù)熱器在電廠熱機系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，其性能優(yōu)化對于提高熱效率、降低能耗和環(huán)境影響至關(guān)重要。本文通過探討空氣預(yù)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(wěn)定性的優(yōu)化措施。這些措施有助于提高熱機系統(tǒng)的整體效率，降低運行成本，并為可持續(xù)能源發(fā)展作出貢獻。未來的研究應(yīng)繼續(xù)深化對空氣預(yù)熱器性能的理解，并結(jié)合新技術(shù)和工程實踐，進一步優(yōu)化和改進空氣預(yù)熱器的設(shè)計和運行，實現(xiàn)更高效、可靠和環(huán)保的電廠熱機系統(tǒng)。