电站锅炉空预器传热性能评价指标的研究

赵振宇

（内蒙古大唐国际托克托发电有限公司，内蒙古 呼和浩特 010206）

1 前言

电站锅炉空预器布置在省煤器后，通过将锅炉尾部烟气中的热量传递给燃烧所需要的空气，起到节省燃料消耗、改善燃烧条件的作用，其结构形式主要分为管式、回转式或管式，在大型电站锅炉上主要采用回转式，空预器已经成为电站锅炉不可缺少的受热面。空预器涉及烟气与空气之间的逆流传热，其核心性能是传热性能。评估空预器传热性能的好坏一般用空预器烟气出口温度，即排烟温度来衡量。在部分空预器配套整机或改造项目的技术要求中，除排烟温度外，还对空气出口温度，即热风温度也提出了要求，有的还对烟气侧效率也提出了要求。由于空预器性能考核试验需要收集大量运行参数和修正计算，这些试验参数获取的难易程度与修正计算的复杂程度，很大程度上影响了试验的精度和修正结果。本文主要研究这些性能指标之间的内在关联和试验参数获取方法，探索设定单一传热性能考核指标的可行性，使得空预器性能考核试验更具可执行性和可操作性。

2 空预器性能试验标准的选用

空预器的性能考核试验可采用ASME PTC 4.3《空预器性能试验规程》与GB 10184-88《电站锅炉性能试验规程》两个标准，其中GB 10184-88 标准对排烟温度的修正，只考虑了进口风温的变化，没有考虑烟气量、空预器X 比、烟气入口温度等参数发生变化时的修正，在新机组刚刚投运时的修正计算结果与ASME PTC 4.3标准尚较为接近，在机组投运数年后，由于燃煤变化、机组老化和局部改造等原因，其修正计算结果与ASME PTC 4.3 会产生较大偏差。王祝成等人也建议修改GB 10184-88 标准的部分条文，增加空预器进口烟温偏差修正排烟温度公式、空预器进口烟气量偏差修正排烟温度事项，以及增加空预器热容比X 偏差修正排烟温度事项，以使GB 10184-88 标准更具备可执行性。这两种标准的计算方法有差异从而导致计算结果也有明显不同，因此，空预器性能考核试验需要事先明确采用的实施标准。目前阶段在实际空预器性能考核试验中，从反映空预器真实性能的角度出发，测试单位和电厂主要使用ASME PTC 4.3 标准。

3 排烟温度和热风温度

典型回转式空预器的传热方式如图1 所示。

图1 空预器的传热方式

热烟气自空预器上方的连接烟道进入转子，从空预器下方的连接烟道流出，冷空气则正好与之相反，从空预器下方进入转子，从上方流出。回转式空预器的转子中安装有大量的波浪形薄钢板，一般称为蓄热片，如图2 所示。

图2 空预器蓄热片

这些蓄热片在烟气侧较高的温度环境下完成蓄热，通过转子转动到达空气侧时，再对温度较低的空气进行放热，周而复始，空预器转子转动过程中实现了高温烟气向空气的连续热量传递。

回转式空预器在结构上属于逆流式换热器，传热效率高，可适应温差较大或者需要大量热量传递的场景。图3 显示了空预器各流体温度的变化方向。

图3 空预器中各流体的温度变化方向

大型空预器的空气侧通常还分成一次风和二次风两个分仓，甚至3 个分仓（1 个一次风仓和2 个二次风仓），为方便分析，将空气侧按1 个分仓看待，将一、二次风的参数综合起来取为1 个等效参数。烟、风进出口分别按ASME PTC 4.3 中的符号做出标记，其中烟气出口在作传热分析时本应该使用漏风稀释前的符号，现为简明且不致引起错误起见，本文用代替。

烟气侧的放热量为：

空气侧的吸热量为：

由于散热损失相比于传热量很小，可忽略不计，烟气侧的放热量与空气侧的吸热量总是相等的，即存在热平衡关系：

不论工质空预器内传递多少热量，热平衡都客观存在，传热量高则换热器在高水平上处于热平衡，传热量低则在低水平上处于热平衡。能传递多少热量，取决于空预器的传热能力：

其中，K 为换热元件的传热系数；A 为换热元件的传热面积；为传热温差，使用对数平均温差：

空预器的传热量与烟气的放热量和空气的吸热量也是相等的，即：

这两个方程联立就构成了空预器传热的方程组，其中共有10 个变量：传热面积A、传热系数K、烟气流量、烟气比热、空气流量、空气比热、烟气进口温度tG14、烟气出口温度tG15、空气进口温度tA8和空气出口温度tA9。当一台空预器已完成设计，需要使用一些指标对其传热性能进行评价时，其传热面积A、传热系数K 是空预器本身的参数，是确定的，烟风流量和、烟风比热和，以及烟气进口温度tG14和空气进口温度tA8是其使用的边界条件，也是确定的，即有8 个变量是已知的，通过方程组可以求出烟气出口温度tG15和空气出口温度tA9，这两个参数即可以作为评价传热性能的指标。如果在设计边界条件下实际空预器的排烟温度高于设计值，或者实际的热风温度低于设计值，就说明实际空预器的传热性能没有达到设计要求。

虽然排烟温度和热风温度都可以作为评价空预器传热性能的指标，但它们两个并不是互相独立的变量，而是存在内在联系。从热平衡方程可知，当排烟温度tG15确定后，热风温度tA9也就确定了，反之亦然，因此，只使用其中一个参数就可以对空预器的传热性能做出评价。

空预器出口热空气处于高温且正压的环境，如常见的采用冷一次风正压直吹式制粉系统的机组，空预器一次热风侧静压一般会在8kPa 以上，风温超过280℃，测试人员在操作测温和测压设备时需要做好隔热防护，以防止热风涌出造成灼伤。相比而言，空预器烟气出口段处于负压环境，烟气温度一般在150℃以下，温度相对较低，测量排烟温度时更加安全，从测量方便和安全的角度来考虑，评价空预器传热性能的指标采用排烟温度更具备实际可操作性。

需要注意的是，实际空预器在运行时不可避免地会偏离设计条件，例如，烟气进口温度tG14会因为燃煤成分、火焰中心、分级燃烧等运行条件的的影响而发生改变，空气进口温度tA8受环境温度的影响而发生改变，通过空预器的烟气流量和空气流量受燃煤和炉膛氧量的影响而发生改变，这些改变都意味着空预器使用的边界条件发生了变化，排烟温度tG15必然也会随之变化，因此，不能用实际运行的排烟温度直接对空预器进行评价，而是需要采用合适的计算方法，将实际的运行参数按设计边界条件进行修正，用修正后的排烟温度来评价。ASME PTC 4.3 标准提供了对排烟温度完整的修正计算方法，迄今已使用60 多年，早已被行业普遍接受，因此使用排烟温度作为评价指标更为可行。

如果采用热风温度来对空预器的传热性能进行评价，当边界条件发生改变时，同样也需要对热风温度进行修正。从热平衡原理可知，如果排烟温度修正后能够合格，说明空预器的传热性能达到了设计要求，意味着热风温度修正后也会是合格的，因此也就无须对热风温度进行修正，反之，如果排烟温度修正后不合格，热风温度修正后也必然不合格。ASME PTC 4.3 只给出了排烟温度的修正方法，并没有给出热风温度的修正方法。在空预器性能试验过程中，也曾出现过空预器技术规范对热风温度提出了要求，但在性能考核时因拘泥于没有热风温度修正的条文引起争议的情况，从合理评价以及避免引起误解的角度出发，只使用排烟温度作为评价空预器传热性能的指标是完全可行的。

4 排烟温度与烟气侧效率

按ASME PTC 4.3《空预器性能试验规程》，烟气侧效率的定义是空预器烟气侧的温降与最大传热温压之比：

烟气侧效率代表了烟气的放热量与最大可能的传热量的趋近程度，也表示了空预器传热能力的大小，因而也可以作为评价空预器传热性能的指标。从公式中可以看出，其中的烟气入口温度tG14和空气入口温度tA8都属于边界条件，是确定的，因此烟气侧效率最终还是取决于排烟温度tG15，也即烟气侧效率与排烟温度也不是互相独立的变量，它可以看成排烟温度的导出量。

ASME PTC 4.3 标准中推荐的烟气侧效率计算方法容易受到流经空预器的空气量与烟气量、空预器进口空气温度及空预器进口烟气温度等因素的影响，因此需要修正，才能与设备生产厂家的性能保证值进行比较。如果使用烟气侧效率作为评价传热性能的指标，当边界条件发生改变时，同样也需要将偏离的条件进行修正。从烟气侧效率的含义看，只要将公式中的烟气入口温度tG14和空气入口温度tA8取作设计值，也即设计的边界条件，将排烟温度tG15取作修正后的值，计算出的结果就是修正后的烟气侧效率。

由于烟气侧效率与排烟温度本质上是一致的，ASME PTC 4.3 也没有提供烟气侧效率的修正条文。同样出于避免在项目执行中产生争议的考虑，相比而言，选定排烟温度而不是烟气侧效率作为空预器传热性能的评价指标，更具备可执行性。

5 结语

通过空预器的热平衡方程和传热过程分析，排烟温度、热风温度和烟气侧效率都可以作为评价空预器传热性能的指标，但它们不是互相独立的参数，而是存在内在联系的，一旦一个参数确定了，另外2 个参数也会随之确定。

空预器的排烟温度测量起来更加方便和安全，而且当边界条件发生偏离时，ASME PTC 4.3 给出了完备的修正计算方法，更适合作为评价空预器传热性能的指标。热风温度、烟气侧效率从传热原理上讲也可以进行修正，但由于标准中没有给出具体条文，为避免在项目执行中引起争议，不建议采用。