回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對大容量鍋爐]熱效率的影響探討

胡 偉，楊 凱，冉銘李旭升陳 燦張秀昌2

(1.國家能源集團江西電力有限公司，江西 南昌 330029；2.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；3.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

空氣預(yù)熱器是利用煙氣的熱量來加熱燃燒所需空氣以提高鍋爐熱效率的裝置?？疹A(yù)器性能對鍋爐熱效率的影響主要有兩個方面：一是排煙溫度。排煙溫度越低，鍋爐熱效率越高；二是漏風(fēng)率?？諝忸A(yù)熱器有多種漏風(fēng)形式，不同漏風(fēng)形式對鍋爐熱效率影響不一樣?，F(xiàn)代大型火電廠主要采用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，本文主要討論回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)漏風(fēng)率對鍋爐熱效率的影響。

1 空預(yù)器漏風(fēng)對鍋爐熱效率的影響

1.1 空預(yù)器漏風(fēng)形式

空預(yù)器漏風(fēng)形式主要分為直接漏風(fēng)和攜帶漏風(fēng)。直接漏風(fēng)是因煙氣、空氣之間靜壓差和動、靜體之間的間隙，正壓空氣通過間隙漏入煙氣中。直接漏風(fēng)一般占空預(yù)器漏風(fēng)的70%～80%；攜帶漏風(fēng)是由回轉(zhuǎn)式空預(yù)器結(jié)構(gòu)決定。空預(yù)器轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中，一部分駐留在換熱元件中的空氣被攜帶到煙氣中，攜帶漏風(fēng)與攜帶漏煙同時存在，攜帶漏風(fēng)占空預(yù)器漏風(fēng)的20%～30%。

直接漏風(fēng)可分為冷端徑向漏風(fēng)、熱端徑向漏風(fēng)、旁路漏風(fēng)、軸向漏風(fēng)以及中心筒漏風(fēng)。冷端徑向漏風(fēng)未流經(jīng)轉(zhuǎn)子，對空預(yù)器換熱不造成影響，占直接漏風(fēng)的30%～50%；熱端徑向漏風(fēng)是空氣經(jīng)過加熱后從空預(yù)器熱端徑向漏入煙氣側(cè)，與進入空預(yù)器的煙氣混合后排出，占直接漏風(fēng)的50%～70%[1]；軸向漏風(fēng)也不流經(jīng)轉(zhuǎn)子，不影響換熱；旁路漏風(fēng)是空氣不被加熱而混入熱風(fēng)，使空預(yù)器換熱效率有所下降。這些問題隨著旁路密封和軸向密封技術(shù)的發(fā)展得到了有效控制[2]。

1.2 空預(yù)器漏風(fēng)對鍋爐熱效率計算的影響

空預(yù)器實際漏風(fēng)較復(fù)雜，因此要分析不同形式漏風(fēng)對鍋爐熱效率的影響需要分開進行。本文主要分析漏風(fēng)量占比最大的冷端徑向漏風(fēng)和熱端徑向漏風(fēng)對鍋爐熱效率的影響。以某工程性能設(shè)計為例進行分析，該工程裝機容量2×1 000 MW，鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，配2臺四分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器。空預(yù)器主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 空預(yù)器主要設(shè)計參數(shù)

1.2.1 空預(yù)器冷端徑向漏風(fēng)對鍋爐熱效率的影響

從空預(yù)器的漏風(fēng)形式可知，冷端徑向漏風(fēng)(也包括其他沒有參與換熱的冷風(fēng))是空氣未流經(jīng)轉(zhuǎn)子，漏入煙氣側(cè)的空氣與煙氣混合，降低排煙溫度。ASME PTC4—2008第5章5-13.3闡述“對于有空氣預(yù)熱器的機組，空氣預(yù)熱器內(nèi)的漏風(fēng)除了降低排煙溫度外，沒有起到任何有用的作用。對于效率計算，空氣預(yù)熱器出口的煙氣溫度測量值必須修正到完全沒有漏風(fēng)時的煙氣溫度”[3]。由此可見，ASME標準默認空預(yù)器漏風(fēng)主要為冷端徑向漏風(fēng)。表2是不同冷端徑向漏風(fēng)率下鍋爐熱效率的變化。

表2 不同冷端徑向漏風(fēng)率下鍋爐熱效率的變化

表2中設(shè)計漏風(fēng)率工況下空預(yù)器進、出口氧量分別為2.75%和3.37%，空預(yù)器出口煙溫未漏風(fēng)和漏風(fēng)后排煙溫度分別為119.2℃和116.0℃。按照ASME計算要求修正到不漏風(fēng)情況下(即空預(yù)器進、出口氧量均未變化)，排煙溫度為不漏風(fēng)時排煙溫度，計算得到的鍋爐熱效率與設(shè)計漏風(fēng)率工況鍋爐熱效率相當(dāng)。隨著漏風(fēng)率增加，排煙溫度降低，煙氣中氧量升高，干煙氣熱損失和空氣中水分引起的熱損失增加，燃料中水分和燃料中氫引起的熱損失減少，總排煙損失未變，最終計算鍋爐熱效率基本未發(fā)生變化。

1.2.2 空預(yù)器熱端徑向漏風(fēng)對鍋爐熱效率的影響

空預(yù)器熱端徑向漏風(fēng)是經(jīng)空預(yù)器加熱后本應(yīng)送入爐膛的的空氣漏入到煙氣側(cè)，隨煙氣排出空預(yù)器。熱端徑向漏風(fēng)雖然對鍋爐熱效率有負面影響，但熱端漏風(fēng)增加了流經(jīng)空預(yù)器的煙氣量，提高了煙速同時也加強了換熱，但總體來說使鍋爐熱效率下降。隨著熱端徑向漏風(fēng)量的增加，這部分熱量占燃料向鍋爐提供熱量比重增加，鍋爐熱效率降低。計算空預(yù)器熱端徑向漏風(fēng)對效率的影響見式(1)，不同漏風(fēng)率對鍋爐熱效率影響計算結(jié)果見表3(為了便于分析計算，將所有漏風(fēng)均考慮為熱端徑向漏風(fēng))。

(1)

式(1)中，c—空氣從空預(yù)器入口溫度到排煙溫度之間平均比熱，J/(kg·K)；M1—空預(yù)器入口煙氣量，t/h；M2—空預(yù)器出口煙氣量，t/h；T1—空預(yù)器入口風(fēng)溫，K；T2—排煙溫度(不漏風(fēng)時)，K；Q—燃料向鍋爐提供的熱量，J/h。

由表3可知，隨著熱端徑向漏風(fēng)率增加，對鍋爐熱效率影響增大。熱端徑向漏風(fēng)率每增加1%，鍋爐熱效率降低約0.043%。設(shè)計工況漏風(fēng)率為3.5%時，對效率影響為0.148%。空預(yù)器對鍋爐熱效率的實際影響小于0.148%，熱端徑向漏風(fēng)占總漏風(fēng)比例越小，對鍋爐熱效率影響越小。

表3 不同熱端徑向漏風(fēng)率下對鍋爐熱效率的影響

空預(yù)器性能計算當(dāng)熱端徑向漏風(fēng)增加4%時，排煙溫度基本不變(一般小于0.3℃)。在實際運行中，將控制熱端漏風(fēng)的空預(yù)器間隙控制系統(tǒng)投入前后的排煙溫度進行比較，基本和計算一致。由于熱端漏風(fēng)造成煙氣量增加，因此盡管排煙溫度幾乎不變，排煙損失仍然有所增加。

2 考慮空預(yù)器漏風(fēng)的鍋爐熱效率修正

由本文分析可知，性能設(shè)計未考慮熱端徑向漏風(fēng)，僅考慮冷端徑向漏風(fēng)，設(shè)計計算空預(yù)器漏風(fēng)對鍋爐熱效率沒有影響。而實際運行中由于熱端徑向漏風(fēng)對鍋爐熱效率造成影響，因此應(yīng)對此損失進行修正，修正公式見式(2)。

η′=η+η″

(2)

式(2)中：η′—修正后鍋爐熱效率，%；η—實測鍋爐熱效率，%；η″—熱效率的修正值，%。

上式中η″熱效率的修正值可以通過空預(yù)器熱端徑向漏風(fēng)對鍋爐熱效率修正曲線進行修正。以該工程為例，修正曲線見圖1。如果實測空預(yù)器漏風(fēng)率為5%，熱端徑向漏風(fēng)占總漏風(fēng)比例為50%(一般取40%～60%)，那么熱端徑向漏風(fēng)率為2.5%。由圖1可知，對鍋爐熱效率修正值約為0.105%。

圖1 空預(yù)器熱端徑向漏風(fēng)率對鍋爐熱效率的修正值

3 空預(yù)器的選擇以及設(shè)計、安裝中的注意事項

通過本文案例分析可知，空預(yù)器漏風(fēng)對鍋爐熱效率影響有限，按全部為熱端徑向漏風(fēng)考慮，在設(shè)計漏風(fēng)率3.5%下對鍋爐熱效率影響為0.148%。熱端徑向漏風(fēng)占總漏風(fēng)比例為40%～60%，實際空預(yù)器漏風(fēng)率對鍋爐熱效率的影響為0.059 2%～0.088 8%，略大于排煙溫度每升高1℃對鍋爐熱效率的影響(約降低0.05%)。因此，在選擇空預(yù)器時，在考慮對鍋爐的熱效率影響時應(yīng)考慮排煙溫度和漏風(fēng)率。

選擇上應(yīng)多考慮鍋爐配套廠家，因其更全面、整體地考慮了鍋爐本體性能和空預(yù)器換熱性能，煤種適應(yīng)性強，有整體性能為保障，在此基礎(chǔ)上可不用修正空預(yù)器漏風(fēng)對鍋爐熱效率這部分損失。如果選擇非鍋爐配套廠家的空預(yù)器，可能漏風(fēng)率會控制得相對較低，但若過于考慮成本因素，蓄熱元件余量小，排煙溫度往往較高，煤種適應(yīng)差，該情況在實際工程中并不少見。當(dāng)鍋爐本體和空預(yù)器廠家不同時，空預(yù)器性能未達到設(shè)計值對鍋爐熱效率影響這部分損失，應(yīng)該在鍋爐熱效率修正時予以考慮。

隨著技術(shù)的發(fā)展，大型電站鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)率已經(jīng)低至3%～4%?？疹A(yù)器各主要漏風(fēng)中，攜帶漏風(fēng)由空預(yù)器結(jié)構(gòu)所決定，無法避免。熱端徑向漏風(fēng)一般可通過間隙自動跟蹤系統(tǒng)控制。要降低空預(yù)器整體漏風(fēng)率須降低冷端徑向漏風(fēng)，從設(shè)計、安裝上將冷端徑向漏風(fēng)間隙預(yù)留更低，但投入成本較高，得到的收益有限。因冷端徑向漏風(fēng)控制較低，除了降低整體漏風(fēng)率之外，對鍋爐熱效率沒有影響，雖有利于降低廠用電，但增加了空預(yù)器運行電流，鍋爐遇到突發(fā)事件易造成空預(yù)器卡死進而導(dǎo)致MFT。因此，運行中既要注重經(jīng)濟性，還要注重安全性，冷端間隙不宜預(yù)留過小，建議將空預(yù)器整體漏風(fēng)率控制在5%左右較為合適。

4 結(jié)語

1)空預(yù)器漏風(fēng)在性能計算中僅考慮冷端徑向漏風(fēng)，冷端徑向漏風(fēng)除了降低排煙溫度外，沒有起到任何作用；熱端徑向漏風(fēng)對鍋爐熱效率有影響。本文案例分析表明：熱端漏風(fēng)率每增加1%，鍋爐熱效率降低約0.043%。

2)空預(yù)器熱端徑向漏風(fēng)一般占總漏風(fēng)的40%～60%。在設(shè)計漏風(fēng)率下對鍋爐熱效率影響為0.059 2%～0.088 8%，略大于排煙溫度每升高1℃時對鍋爐熱效率的影響。因此，空預(yù)器對鍋爐熱效率的影響應(yīng)考慮排煙溫度和漏風(fēng)率。

3)選擇空預(yù)器盡量選擇鍋爐配套廠家，因其能更全面考慮鍋爐本體性能和空預(yù)器換熱性能，煤種適應(yīng)性強，有整體性能為保障。

4)性能計算中沒有考慮空預(yù)器漏風(fēng)不達標對鍋爐熱效率的影響，但實際運行中可能存在這種情況造成鍋爐熱效率的額外損失。

5)空預(yù)器在設(shè)計、安裝時，冷端間隙預(yù)留應(yīng)合理，避免運行中空預(yù)器電流過大，遇突發(fā)事情造成空預(yù)器卡死，威脅機組安全運行。建議空預(yù)器整體漏風(fēng)率控制在5%左右。