空气预热器在电厂热机系统中的性能优化研究

国能福州（热电）有限公司 王 兴

电厂热机系统是热电联产过程中的核心部分，其性能优化直接影响到能源效率和环境排放。在热机系统中，空气预热器起着至关重要的作用。通过预热燃烧空气，空气预热器可提高燃料的燃烧效率，从而提高系统的热效率。然而，由于各种因素，包括设备老化、维护不当等，空气预热器的性能可能会下降，进而影响热机系统的热效率。因此，研究空气预热器的性能优化，不仅有助于提高电厂热机系统的热效率，也有助于环境保护。本文旨在深入研究空气预热器的性能优化策略，并通过实际案例进行验证。

1 空气预热器的工作原理与性能分析

1.1 空气预热器的基本工作原理

空气预热器是热电厂热机系统的关键设备之一，其主要任务是将燃烧前的空气预热到一定的温度。工作原理主要基于传热原理，即利用排烟中的热量将进入燃烧室的空气预热。当热烟气通过预热器时，通过换热面传递热量到空气中，提高了空气的温度。此方法优点是提高燃烧效率，减少燃料消耗，同时减少排放，降低环境污染。总体来说，空气预热器的基本工作原理是利用烟气中的余热对燃烧空气进行预热，提高了热机系统的整体热效率。

1.2 空气预热器的性能指标

空气预热器的性能主要由几个关键指标来衡量：预热效率、压力损失和机械可靠性。预热效率反映了空气预热器利用烟气余热进行预热的能力，一般来说，预热效率越高，表明空气预热器的性能越好。压力损失是指空气在预热器中流动时因为阻力产生的压力减小，过大的压力损失会影响空气流动，从而影响燃烧效率。机械可靠性反映了空气预热器在长时间运行中的稳定性和耐久性，对于电厂热机系统的持续稳定运行至关重要[1]。

图1 空气预热器的基本工作原理

1.3 空气预热器的性能分析与评估

空气预热器是电厂热机系统中不可或缺的一部分，其性能直接影响到电厂的运行效率和设备的使用寿命。因此，进行空气预热器的性能分析与评估是至关重要的。

首先，应进行定期数据收集。这包括入口和出口的温度和压力等运行数据。入口和出口的温度数据可以用来计算预热器的热效率，即预热器能将多少热量传递给进入的空气。压力数据可用来计算预热器的压力损失，即空气通过预热器时能量的损失。这两项指标都可反映预热器的运行效率；然后，应对收集到的数据进行深入分析。分析结果可帮助人们了解预热器的运行状态，以及可能存在的问题。例如，如果热效率过低，可能意味着预热器的热交换面积不足或者热交换效率低下。如果压力损失过大，可能意味着预热器内部存在堵塞或者结构设计不合理。对这些问题的早期发现和处理，可有效地提高电厂的运行效率，延长设备的使用寿命。

除了数据分析，还应定期进行机械检查，评估预热器的机械可靠性。这包括检查预热器的结构完整性，以及热交换元件的磨损程度。这些信息可帮助人们了解预热器的使用寿命，以及是否需要进行维护或更换。值得注意的是，评估结果不仅受到设备本身性能的影响，也受到系统运行条件和环境因素的影响。例如，气候变化可能会影响预热器的热交换效率，因为气候变化会改变进入预热器的空气的温度和湿度。同时，系统运行条件的变化（如负荷变化）也可能影响预热器的压力损失。

总体来说，空气预热器的性能分析与评估是一个复杂而重要的过程，需要综合考虑数据分析、机械检查以及系统运行条件和环境因素的影响。通过这些分析和评估，可更好地了解预热器的运行状态，提高电厂的运行效率，延长设备的使用寿命[2]。

2 电厂热机系统的热效率分析

2.1 热机系统的工作原理

热机系统是电厂中的核心部分，其负责将热能转化为机械能，然后再转化为电能。该过程主要包括三个步骤：燃料燃烧、热能转化为机械能、机械能转化为电能。燃料燃烧通常在燃烧室中进行，产生的热能会使工质（如蒸汽）加热膨胀，驱动汽轮机旋转，从而产生机械能。进而，汽轮机驱动发电机旋转，将机械能转化为电能。在此过程中，空气预热器、蒸汽发生器、涡轮机和冷却系统等设备都起着重要作用。特别是空气预热器，其可改善燃烧条件，提高热效率，降低燃料消耗。

2.2 热机系统中空气预热器的作用

在热机系统中，空气预热器起着至关重要的作用。首先，通过预热燃烧空气，空气预热器可提高燃料的燃烧效率。因为预热后的空气可更好地与燃料混合，促进燃料的充分燃烧。其次，空气预热器可有效利用热机系统中的余热。通过将热烟气中的热量传递给燃烧空气，空气预热器不仅能提高燃烧效率，还可降低热机系统的热损失。此外，空气预热器还可以减少燃料消耗，降低运行成本，减少环境污染。

图2 热机系统的工作原理

2.3 空气预热器对热机系统热效率的影响

空气预热器对热机系统的热效率有直接的影响。热效率是指热机系统能够将输入的热能转化为有用工作的能力，其是衡量系统性能的重要指标。通过预热燃烧空气，空气预热器可提高燃料的燃烧效率，从而提高系统的热效率。此外，空气预热器通过利用热烟气中的余热，减少了系统的热损失，进一步提高了热效率。在实际运行中，如果空气预热器的性能下降，例如预热效率降低或压力损失增大，都会导致热机系统的热效率下降。因此，保持空气预热器的高性能运行，对于提高热机系统的热效率至关重要。

更重要的是，空气预热器对热机系统热效率的影响不仅限于单个设备，而是影响整个系统。例如，预热效率的提高可减少燃烧器的燃料消耗，从而减轻涡轮机和发电机的负荷。同样，通过减少热损失，空气预热器也可减少冷却系统的负荷，提高整个系统的运行效率。

3 空气预热器的性能优化策略

3.1 提高空气预热器的传热效率

提高空气预热器的传热效率对热机系统性能至关重要。具体优化策略包括：设计和材料优化。例如，采用高热传导性能材料和扩大换热面积的设计，同时确保换热面清洁以避免热量传递的阻碍；操作参数调整。调节烟气和空气流速以影响其在预热器中的停留时间，从而优化热量传递。同时，调控预热器的温度和压力，改变热量传递的驱动力；应用先进监测和控制技术。通过实时监测预热器温度和压力变化，及时处理可能影响传热效率的问题，并采用先进控制算法自动调整操作参数，确保预热器保持最佳运行状态。

3.2 减少空气预热器的压力损失

减少空气预热器压力损失对热机系统能效和稳定性起着重要作用。优化策略包括：设计改进。优化流道设计，减少弯头和突变部位，减轻空气流动阻力，选择适当的换热元件，如合适形状和大小的翅片，降低流体阻力；使用抗腐蚀、抗磨损材料。防止因材料老化和磨损导致的流道变窄，降低压力损失；运行参数优化。调整空气和烟气流速，保证换热效果的同时降低流动阻力，合理的预热温度和压力设置可改变空气黏度和密度，进一步减少压力损失；定期清洁和维护。防止灰尘和沉积物堆积导致的压力损失增大。

3.3 提高空气预热器的可靠性和稳定性

空气预热器的可靠性和稳定性至关重要。提高策略包括：设计优化和材料选择。充分考虑结构强度、热膨胀和热应力，保证预热器在高压高温环境下稳定运行，使用耐高温、抗腐蚀和抗磨损材料，延长使用寿命；定期维护和检修。定期清洁和检查预热器，保持通道畅通，减少压力损失，及时发现和处理损坏、漏风、泄漏等问题，防止故障扩大；监测和故障诊断。利用温度、压力、振动等传感器实时监测预热器状态，基于数据分析和故障诊断算法，识别异常行为和潜在故障，及时修复和维护，保证预热器可靠性和稳定性。

3.4 高效的清理和维护策略

高效清理和维护策略对空气预热器性能优化至关重要。主要策略包括：定期清洁。使用在线蒸汽吹扫、水洗或机械清理等方式，彻底清除换热表面的灰尘、颗粒物和沉积物，降低压力损失，提高热传递效率；定期维护和检修。检查设备的密封性、管道连接和防腐蚀涂层等，及时更换附件和零部件，防止问题恶化；运行参数监测。使用传感器和监控系统实时监测关键运行参数，如温度、压力和流量等，提前预警并修复问题；培训和知识共享。对维护人员进行培训，建立知识共享平台，促进经验和最佳实践的交流，推动清理和维护策略的不断优化。

4 实际案例

某电厂中的空气预热器，历来存在效率低下的问题。该电厂工程师发现，由于空气预热器性能不佳，直接导致了整个热机系统的热效率下降，增加了环境排放。在详细了解并深入研究空气预热器的工作原理之后，电厂专业人员开始寻求解决方案。

提出了提高传热效率的策略通过优化空气预热器的换热元件设计，如选用高性能材料，改进结构布局等，可提高空气与烟气之间的热交换效率；提出了减少压力损失的策略，优化烟道结构、改进流道设计，以及采用高效的烟气和空气流动控制装置，可降低压力损失，进一步提高空气预热器的性能；还提出了提高可靠性和稳定性的策略，定期进行维护，避免因设备故障造成的停机，从而确保了空气预热器的持续稳定运行；还提出了高效的清理和维护策略，定期清理空气预热器内部，去除烟尘和沉积物（如硫酸氢铵等），防止换热面积减少和热效率下降。实施了这些优化策略之后，该电厂的空气预热器性能得到了显著提高，热机系统的热效率提高了8%，环境排放也得到了有效地降低。

5 结语

空气预热器在电厂热机系统中扮演着关键角色，其性能优化对于提高热效率、降低能耗和环境影响至关重要。本文通过探讨空气预热器的工作原理、性能指标和性能分析，并提出了提高传热效率、减少压力损失、提高可靠性和稳定性的优化措施。这些措施有助于提高热机系统的整体效率，降低运行成本，并为可持续能源发展作出贡献。未来的研究应继续深化对空气预热器性能的理解，并结合新技术和工程实践，进一步优化和改进空气预热器的设计和运行，实现更高效、可靠和环保的电厂热机系统。