空气预热器一次风阻力高原因分析及对策

宋 峰

马鞍山当涂发电有限公司

0 前言

我国“富煤贫油少气”的资源格局决定了我国是一个以煤为主要能源的国家，相应的发电能源也是以煤为主。受我国的能源结构、国家环境政策和技术发展等众多因素的影响，火电在我国电源结构中处于主导地位[1]。

回转式空气预热器普遍应用于大型电站锅炉，是一种回收尾部烟气热量的热交换器。它利用锅炉尾部烟气的余热加热燃烧所需的空气，降低排烟温度，以此来提高锅炉效率。回转式空气预热器的工作原理是通过热烟气和冷空气分别与放置在转子中的传热元件换热实现的。传热元件随转子转动，不断地与烟气和空气进行热交换。如图1所示。

图1 回转式空气预热器工作原理示意图

燃料成本过高是火力发电企业出现亏损的主要因素之一。大量掺烧价格相对较低的褐煤，可以有效降低发电成本。但是，褐煤水分较大，热值低，大量掺烧会引起制粉系统干燥出力不足，煤粉管道堵塞、一次风风机出力不足，风机失速等问题，严重影响机组的安全运行。

1 设备概况

某660 MW超临界机组锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。设计煤种和校核煤种均为准南烟煤。在锅炉尾部布置两台转子直径为Φ14 236 mm 的三分仓回转式空气预热器，一次风角度为50°，旋转方向“烟气→二次风→一次风”，传热元件高度热端为1 400 mm，冷端为1 000 mm。

为降低发电成本，锅炉需大量掺烧水分大、热值低的劣质煤，并且一台空气预热器传热元件损坏严重，目前空气预热器烟气侧阻力约2.8 kPa，一次风阻力约2.7 kPa,二次风阻力约1.5 kPa。由于一次风阻力过高导致一次风风机出力严重不足，产生风机失速等问题，严重影响机组经济性、安全性。

2 空气预热器一次风阻力过大原因分析

2.1 掺烧褐煤导致一次风量增大

锅炉掺烧大量高水分的褐煤，为提高制粉系统干燥出力，使一次风量增加了约47%。流经空气预热器的一次风量增大，使一次风流速增大，导致一次风阻力大幅增大。

从下文式（1）可以看出，阻力与流速的平方成正比，因此流经空气预热器的一次风量大幅增加是导致空气预热器一次风阻力增大的主要原因。

2.2 氨逃逸导致空气预热器传热元件堵塞

由于锅炉脱硝设备出口氨逃逸量增加，未参与脱硝反应的氨气与SO3反应生成硫酸氢铵，硫酸氢铵在146～207 ℃温度范围内为液态，这个区域被称为ABS区域。氨逃逸率越高，硫酸氢铵凝结的上限温度也会升高。ABS 区域超过了原设计控制范围（冷段），对空气预热器冷段和中温段下部的传热元件表面产生灰分黏附、堵塞了元件的气流通道。液态硫酸氢铵捕捉飞灰能力极强，会严重加剧空气预热器受热面的积灰，同时造成预热器的腐蚀等，导致空气预热器阻力较大，影响预热器的换热及机组的正常运行。

3 减小空气预热器一次风阻力的措施

通过对一次风阻力较大的原因分析，可以采取以下措施来减小空气预热器一次风阻力。

3.1 扩大一次风仓角度

考虑到一次风量增大，一次风机出力不足，而二次风机处理还有余量，因此可以扩大空气预热器一次风仓角度，增大一次风仓流通面积，从而减小一次风阻力。

重新设计空气预热器一次风仓角度，由原来50°增大到65°，如图2所示。一次风仓角度由原来50°增大到65°后，一次风流通区域面积增加了约43%，可以有效减小一次风阻力。

图2 扩大一次风仓角度示意图

同时需要对烟道、挡板、膨胀节等，包含以下附属配套件的消缺升级：外壳装配件、空气侧副支座、冷热端连接板、冷热端中间梁改造、冷热端一次风中心部分、冷热端一次风侧扇形板、导向轴承座、风道改造(含膨胀节、挡板更换等)、三向密封片（冷端径向密封片全部更换，其余损坏的进行更换调整,热端径向密封片不含在内）、空气预热器顶部泄漏点修补及浇注料恢复等。

3.2 冷端采用封闭大通道波形的传热元件

冷端传热元件采用封闭大通道波形的搪瓷元件（如图3所示），可以提高吹灰穿透深度，防止吹灰和清洗能量耗散，使传热元件更易于冲洗，有利于缓解阻力上升的趋势。

图3 封闭大流道传热元件示意图

若条件允许还可以提高冷端元件高度，增加空气预热器对氨逃逸率的耐受能力，有利于降低硫酸氢铵堵塞的风险。

4 空气预热器阻力计算方法

回转式预热器的阻力计算方式是较为成熟的计算方法。考虑在回转式预热器内部，实际上流体是在换热元件片之间的通道中流动，蓄热元件表面为强化换热，轧制成各种形状，以达到破坏流动边界层，强化换热的目的。在对这些通道进行计算时，蓄热元件流通阻力由沿程流通阻力、流通截面缩放局部阻力和气体膨胀流通阻力三部分组成，其中主要是沿程流通阻力。

蓄热元件层的流通阻力计算式见式（1）。

式（1）中，

Ke——流量变化调节系数

f——阻力系数

H——蓄热元件物理层高度,m

Hd——该段蓄热元件当量直径,m

从式（1）可见，阻力大小和气流的流通面积、传热元件的阻力系数和流速关系较大。

5 改造前后性能指标对比

扩大空气预热器一次风仓角度后，A、B 侧空气预热器的一次风侧阻力均有明显下降，同时烟气侧阻力也有大幅下降，对比改造前的空气预热器运行工况，A 侧空气预热器的一次风侧阻力降低了966 Pa，B 侧空气预热器的一次风侧阻力降低了696 Pa，平均降幅大于800 Pa，有效解决了目前机组一次风风机出力不足的问题。

扩大空气预热器一次风仓角度后与改造前的各项性能指标见表1和表2。

表1 660 MW负荷改造前后的空气预热器各项性能指标比较

表2 495 MW负荷改造前后的空气预热器各项性能指标比较

6 经济收益分析

改造后空气预热器A 漏风率为4.1%，空气预热器B 漏风率为4.96%，平均为4.53%，较改造前的8%下降了3.47 个百分点。漏风率降低，空气预热器的烟风流动阻力降低。引风机、一次风机、送风机、脱硫增压风机的耗电量减少，空气预热器传热效果也得到改善。改造后风机的节电收益十分可观。按漏风率每降低1%影响煤耗相应降低0.055 g/kWh 计算[2]，降低漏风率3.47%可以降低燃料量0.19 g/kWh，按年运行5 000 h计算，可以节约标煤950 t/年，按标煤价800 元/t 计算，节约费用76 万元。

由表1可见,按照原设计边界条件,改造前后一次风阻力降低了192 Pa, 二次风阻力增加了172 Pa,对风机的总耗电量基本不变,但是缓解了一次风风机出力不足问题。

从实际运行情况看，由于煤种的变化，改造前一次风机出力不足，机组无法达到满负荷运行，改造后机组能达到满负荷运行。在495 MW 负荷下，改造后一次风阻力降低了4 460 Pa，二次风阻力降低了1 230 Pa，烟气阻力下降了2 930 Pa，空气预热器总阻力降低了8 620 Pa。空气预热器的烟风流动阻力降低，引风机、一次风机、送风机、脱硫增压风机的耗电量减少，空气预热器传热效果也得到改善。改造后风机的节电收益十分可观。

7 结语

通过扩大空气预热器一次风仓角度，降低了一次风阻力，有效降低了风机电耗，解决了目前机组一次风风机出力不足的问题，满足机组大量掺烧高水分褐煤的需求，在提高了机组可靠性的同时降低了能耗，为企业带来较大的经济收益。