鍋爐暖風器系統設計及對鍋爐熱效率的影響

摘 要

摘要：分析了鍋爐暖風器在實際使用中存在的問題及系統設計。結合實例，計算了暖風器運行對鍋爐熱效率的影響。采用暖風器通常會導致鍋爐熱效率的下降，該設備的主要作用是避免鍋爐
摘要：分析了鍋爐暖風器在實際使用中存在的問題及系統設計。結合實例，計算了暖風器運行對鍋爐熱效率的影響。采用暖風器通常會導致鍋爐熱效率的下降，該設備的主要作用是避免鍋爐尾部設備發生低溫腐蝕。
關鍵詞：暖風器；鍋爐熱效率；低溫腐蝕
Design of Boiler Air Heater System and Its Influence on Thermal Efficiency of Boiler
LI Qiang，ZHENG Gang，SUN Ping，YU Tao
Abstract：The problems existing in actual application of air heater of boiler and the system design are analyzed. The influence of air beater operation on thermal efficiency of boiler is calculated with a case. Using air heater usually results in decrease in thermal efficiency of boiler. The primary role of the device is to avoid low-temperature corrosion in tail device of boiler.
Key words：air heater；thermal efficiency of boiler；low-temperature corrosion
    當鍋爐排煙溫度低于煙氣露點時，煙氣中的酸性氣體會在鍋爐尾部凝結，導致鍋爐尾部受熱面的腐蝕。鍋爐暖風器是布置在空氣預熱器進口風道中的換熱器，采用暖風器后，空氣預熱器的傳熱溫差減小，鍋爐排煙溫度隨之升高，可防止鍋爐低溫腐蝕，但對鍋爐的熱效率也存在一定的影響。本文對鍋爐暖風器系統的設計及對鍋爐熱效率的影響進行探討。
1 鍋爐暖風器應用中存在的問題
    鍋爐暖風器系統包括暖風器本體、疏水系統、閥門、管道等。暖風器一般位于送風機入口或送風機出口與空氣預熱器進口之間的管道上。暖風器應用中主要存在以下問題：
    ① 有些發電廠在運行一段時間后，實際燃用的煤種與設計燃用的煤種有較大變化，引起排煙溫度明顯升高而不需暖風器運行，或是暖風器運行后堵塞嚴重。這時，往往將暖風器旁通處理，以保證整個發電機組的正常運行。
    ② 疏水不暢，有振動現象。暖風器疏水不暢、管道振動的原因是多方面的，主要有：系統設計不合理，不能保證疏水通暢，造成疏水局部聚集，產生水擊引起振動；暖風器的泄漏和不凝結氣體的存在，使得暖風器出口易形成兩相流動，引起振動；設備和管道布置考慮不周，造成局部聚集不凝結氣體；暖風器疏水口位置設計不合理。
    ③ 對于設置疏水箱的暖風器系統，因疏水箱容量選擇偏小，造成水位調節不靈敏甚至無法調節，疏水泵無法正常投運，凝結水得不到有效利用。
    ④ 暖風器泄漏。暖風器泄漏主要是由于管排間受熱不均，頻繁的熱脹冷縮造成焊縫開裂。長期停用造成管道局部腐蝕，在檢修時未做處理，再次投運后也易發生泄漏。
2 暖風器系統的設計
2.1 暖風器系統流程
    采用出口側調節的暖風器系統流程見圖1[1]。采用出口側調節的暖風器系統在加熱蒸汽進口母管上設有電動調節閥，在暖風器的進口管道上設手動調節閥，在出口管道上設電動調節閥及旁路管道。在發電機組正常運行時，進口管道上的調節閥全開，通過調節出口調節閥，控制加熱蒸汽流量。采用出口側調節的暖風器系統運行可靠，可較好地避免水擊等引起的振動，調節性能較好。通過調節出口調節閥，可以調節加熱蒸汽流量，充分利用加熱蒸汽與一二次風的溫差，提高熱利用率，使得對較低品位蒸汽的利用成為可能，從而改善發電機組的熱經濟性。
 

    采用進口調節的暖風器系統流程見圖2。采用進口調節的暖風器系統在進口設有電動調節閥及旁通管道，通過調節進口閥門可調節加熱蒸汽流量，從而調節鍋爐排煙溫度。由于蒸汽平衡管的存在，在低負荷情況下，不但易引起水擊，導致振動，而且易使調節失靈，影響暖風器正常運行。
 

2.2 疏水箱、疏水泵的設計
    ① 應合理選擇疏水箱的容量。由于疏水箱水位與疏水泵出口調節閥連鎖，若水箱容量選擇不當，易導致疏水泵出口調節閥頻繁動作或調節失靈。從而導致凝結水不能正常排入除氧器，而不得不排入凝汽器或疏水擴容器，使發電機組的熱經濟性下降。
    ② 合理設計疏水箱和疏水泵的安裝標高。一方面要保證從暖風器到疏水箱的疏水暢通，另一方面要保證疏水泵入口的壓力滿足疏水泵對汽蝕余量的要求。一種布置方法是將疏水箱布置在鍋爐房的基準面，疏水泵布置在工作井內。
2.3 加熱蒸汽參數的選擇
    若加熱蒸汽的參數選擇不當，易影響整個發電機組的熱經濟性，導致單位發電量煤耗增加1g/(kW·h)左右[2]。若條件允許，應盡可能采用參數較低的抽汽作為加熱蒸汽。
    有關資料建議，額定容量在100MW以上的汽輪發電機組，抽汽點的壓力不超過294kPa時，暖風器才能起到提高發電機組熱經濟性的作用。但在實際應用中，過低的加熱蒸汽參數易導致供汽和疏水困難，發電機組低負荷時可能導致暖風器無法投運。額定容量為300、600MW的汽輪發電機組，加熱蒸汽正常的運行參數為汽輪機第4級回熱抽汽參數。
3 使用暖風器對鍋爐熱效率的影響
    暖風器的采用對鍋爐熱效率產生了兩方面的影響：由于鍋爐排煙溫度升高，引起鍋爐熱效率的降低；由于一二次風溫度提高，引起鍋爐熱效率的提高。暖風器投運后，鍋爐熱效率變化量△η的計算式為[3]：
 
式中△η——暖風器投運后，鍋爐熱效率變化量
    △η1-——暖風器投運后，鍋爐排煙溫度升高引起的鍋爐熱效率的減小量，為負值
    △η2——暖風器投運后，一二次風溫度升高
    引起的鍋爐熱效率增加量，為正值
    △t3——空氣在暖風器中的溫升，℃
    K——排煙溫度每變化1℃的熱損失修正系數
    △t1——空氣預熱器進出口煙氣溫差，℃
    △t2——空氣預熱器進口煙氣與進口空氣溫差，℃
    q——單位燃料燃燒熱量所對應的暖風器傳熱量，kJ/kJ
    η——暖風器未運行時鍋爐的熱效率
    β——空氣預熱器入口處的過剩空氣系數
    War——燃料的收到基水分
    R——燃料的低位發熱量，kJ/kg
   某670MW發電機組，采用超臨界鍋爐，設計燃料為煙煤，最大連續蒸發量為2150t/h，過熱器出口蒸汽溫度為571℃。燃料低位發熱量為20.58MJ/kg，收到基水分為8.4%，過剩空氣系數取1.3，鍋爐額定熱效率為93.6%。空氣預熱器的煙氣進口溫度取375℃，空氣進口溫度取9℃，排煙溫度(無暖風器時)取125℃。暖風器溫升取30℃，K=0.54×10-3。由式(2)～(4)計算得，△η1==1.11%，△η2=0.09%。由式(1)計算得，暖風器對鍋爐熱效率的影響結果為-1.02%，即暖風器的投運將使鍋爐熱效率降低1.02%。
    由以上計算可知，因一二次風溫度提高引起的鍋爐熱效率提高值小于因鍋爐排煙溫度升高引起的鍋爐熱效率降低值。因此，采用暖風器通常會導致鍋爐熱效率的降低。
4 結論
    ① 在暖風器系統設計中，出口調節方法的效果要優于進口調節方法，可避免振動等問題。
    ② 在滿足設備正常運行的前提下，加熱蒸汽應盡量選用參數較低的蒸汽。
    ③ 采用暖風器通常會導致鍋爐熱效率降低和發電煤耗上升，設置該設備的主要作用是避免鍋爐尾部設備發生低溫腐蝕，延長使用壽命。
參考文獻：
[1] 趙之軍，黃志強，劉瑞陽，等.電站鍋爐暖風器疏水側調節的優越性[J].發電設備，2002，(5)：15-17.
[2] 史德安，王順啟，王浩.暖風器運行參數對機組運行經濟性的影響[J].熱力發電，2008，(4)：65-67.
[3] 林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安：西安交通大學出版社，1994.
 
(本文作者：李強1 鄭鋼1 孫平2 于濤1 1.國核電力規劃設計研究院機械部 北京 100094；2.國家知識產權局材料工程發明審查部 北京 100088)