350 MW機(jī)組鍋爐可翻轉(zhuǎn)暖風(fēng)器的設(shè)計(jì)改造

張 欣，紀(jì) 游，閆承先

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

350 MW機(jī)組鍋爐可翻轉(zhuǎn)暖風(fēng)器的設(shè)計(jì)改造

張 欣，紀(jì) 游，閆承先

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

為了解決某廠6×350 MW機(jī)組鍋爐運(yùn)行時(shí)存在的低溫腐蝕問題，分析了固定式暖風(fēng)器存在問題的原因，提出了將原鍋爐二次風(fēng)暖風(fēng)器改造為翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器的改造方案，將翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，通過試驗(yàn)得到了翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器改造前后運(yùn)行情況測試分析結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，某廠6×350 MW機(jī)組暖風(fēng)器經(jīng)過改造后，降低了暖風(fēng)器停用期間的風(fēng)道阻力和風(fēng)機(jī)耗電量，提高了進(jìn)入空氣預(yù)熱器的一、二次風(fēng)溫度，減少了空氣預(yù)熱器受熱面的低溫腐蝕，提高了鍋爐效率及經(jīng)濟(jì)效益。

鍋爐；暖風(fēng)器；6×350 MW機(jī)組；改造

目前，中國國內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組正向節(jié)能減排的方向發(fā)展，這對機(jī)組鍋爐的使用性能提出了更高的要求。在鍋爐燃燒過程中，會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，空氣預(yù)熱器吸收煙氣中熱量，降低了排煙溫度，提高了燃燒的風(fēng)溫和鍋爐效率。當(dāng)冬季冷風(fēng)直接進(jìn)入空預(yù)器進(jìn)行熱交換時(shí)，易發(fā)生煙氣因低溫結(jié)露而帶來的腐蝕與堵灰。鍋爐暖風(fēng)器是防止鍋爐低溫腐蝕的重要鍋爐輔機(jī)設(shè)備。在冬季氣溫較低、鍋爐啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行期間，蒸汽暖風(fēng)器能將外界空氣溫度升高一定幅度后再送入鍋爐空氣預(yù)熱器，具有良好的控制鍋爐低溫腐蝕功能[1]。由于鍋爐暖風(fēng)器在產(chǎn)品本體性能設(shè)計(jì)、車間加工制作以及系統(tǒng)疏水設(shè)計(jì)缺陷等方面存在一些問題，使鍋爐暖風(fēng)器的運(yùn)行性能達(dá)不到預(yù)期要求，會對現(xiàn)有尾部煙道的設(shè)備造成一定影響。本文針對某廠6×350MW機(jī)組鍋爐暖風(fēng)器存在的問題提出了改造方案，分析其改造方案的可行性，對改造后暖風(fēng)器進(jìn)行了節(jié)能測試，并用風(fēng)機(jī)改造前后功率對比結(jié)果驗(yàn)證了翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器改造方案的可行性。

1 固定式暖風(fēng)器存在的問題

目前國內(nèi)常用的風(fēng)道固定式暖風(fēng)器運(yùn)行時(shí)存在如下問題：

1) 暖風(fēng)器本體容易泄漏，造成空氣預(yù)熱器灰堵現(xiàn)象嚴(yán)重。

2) 暖風(fēng)器本體振動(dòng)大、水擊現(xiàn)象嚴(yán)重，造成系統(tǒng)無法正常投運(yùn)。

3) 部分結(jié)構(gòu)暖風(fēng)器管束冬天容易出現(xiàn)凍管結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致管束凍裂。

4) 暖風(fēng)器管束本體灰堵嚴(yán)重，增加了通風(fēng)阻力，造成鍋爐負(fù)荷下降或增加風(fēng)機(jī)出力，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

5) 暖風(fēng)器在不使用時(shí)提高了送風(fēng)機(jī)的壓頭，消耗了大量的額外電能。

2 暖風(fēng)器改造方案

為了減少暖風(fēng)器停用期間風(fēng)機(jī)的耗電量，減輕積灰及低溫腐蝕的現(xiàn)象，將原鍋爐二次風(fēng)暖風(fēng)器改造為翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備情況確定改造方案，并對翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。

空氣達(dá)到預(yù)定溫度所需熱量為

Q=V·C·t

(1)

式中：V為風(fēng)道總風(fēng)量，m3/h；C為容積比熱，kcal/m3；t為溫升，℃。

所需換熱面積為

(2)

式中：k為暖風(fēng)器傳熱系數(shù)，kcal/m3·℃·h，通過平均風(fēng)速W查圖獲得Δt為對數(shù)平均溫度，其中

(3)

式中：Δtmax、Δtmin為受熱兩端溫差中最大和最小值；Ψ為修正值，一般取0.97。

在實(shí)際計(jì)算過程中，換熱面積安全系數(shù)取1.2～1.25。 350 MW機(jī)組暖風(fēng)器改造計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1350MW機(jī)組暖風(fēng)器計(jì)算結(jié)果

Table1350MWunitairheatercalculationresults

計(jì)算參數(shù)數(shù)值風(fēng)道尺寸/mm4000×4028入口風(fēng)量/(kg．h-1)336996蒸汽壓力/MPa1．3蒸汽溫度/°C220入口風(fēng)溫/°C-9．6出口風(fēng)溫/°C70進(jìn)出口平均風(fēng)溫的空氣定壓比熱/(kJ．(kg．k)-1)1．004對數(shù)平均溫壓/K158．08需要的熱量/(kJ．h-1)26932181．13熱功率/kW7481．16計(jì)算需求換熱面積/m2752．61實(shí)際選用換熱面積/m2899．99換熱面積裕度1．2暖風(fēng)器風(fēng)側(cè)阻力/Pa261．62蒸汽消耗量/(kg．h-1)12626．96

根據(jù)暖風(fēng)器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果確定換熱面積等參數(shù)。在暖風(fēng)器安裝過程中，除了對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行拆除，需要對現(xiàn)有的風(fēng)道進(jìn)行加固，便于轉(zhuǎn)軸的固定，盡量保持現(xiàn)有的疏水和進(jìn)氣系統(tǒng)，只對本體部分進(jìn)行改造。

3 暖風(fēng)器的構(gòu)成、設(shè)計(jì)理念及節(jié)能原理

3.1 翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器構(gòu)成

3.1.1 翻轉(zhuǎn)暖風(fēng)器片組并聯(lián)布置

翻轉(zhuǎn)暖風(fēng)器片組并聯(lián)布置如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)暖風(fēng)器片組并聯(lián)布置

3.1.2 翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器前封板

翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器進(jìn)汽系統(tǒng)側(cè)封板主要起承受加熱器的旋轉(zhuǎn)的作用。包括進(jìn)汽管和法蘭，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器進(jìn)氣側(cè)結(jié)構(gòu)

3.1.3 翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器后封板

翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器疏水系統(tǒng)側(cè)的封板，主要起承受加熱器的旋轉(zhuǎn)。包括旋轉(zhuǎn)操作執(zhí)行器、疏水管和法蘭、加熱器水平限位裝置，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 設(shè)計(jì)理念

目前，國內(nèi)電廠大多數(shù)暖風(fēng)器布置方式為垂直風(fēng)道臥式布置，結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的多管程式暖風(fēng)器，布置極為不合理，造成了暖風(fēng)器傳熱管束有兩種熱脹冷縮現(xiàn)象：一種是整體熱膨脹，由管內(nèi)工質(zhì)溫度引起；另一種是管排間的熱膨脹，主要由管外空氣進(jìn)出口溫度不同引起。

圖3 翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器輸水側(cè)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了整體熱膨脹，沒有考慮管排間的熱膨脹，此熱膨脹在結(jié)構(gòu)上不能吸收，導(dǎo)致在薄弱的焊縫處拉裂，造成泄漏事故。泄露的發(fā)生導(dǎo)致蒸汽或高壓水進(jìn)入空預(yù)器，造成了空預(yù)器的堵灰問題發(fā)生[2]。從暖風(fēng)器本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于疏水口不在暖風(fēng)器的最低點(diǎn)，因此暖風(fēng)器內(nèi)存在永遠(yuǎn)疏不掉的水，這些水過冷后又與熱的汽水熱交換，反復(fù)混合，使有些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水擊現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。

在冬季鍋爐停運(yùn)時(shí)，疏不掉的積水就會結(jié)冰，形成所謂的暖風(fēng)器結(jié)冰現(xiàn)象[3]。翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器的設(shè)計(jì)理念是針對目前電廠臥式暖風(fēng)器本體存在的諸多問題，綜合考慮系統(tǒng)的整體膨脹和熱膨脹，采用單管程翅片換熱管布置方式，減少了暖風(fēng)器本體設(shè)備的焊縫，避免了焊縫不合格以及碰撞不均勻造成焊縫處容易破裂的情況。同時(shí)，在暖風(fēng)器本體采用了進(jìn)氣側(cè)略高、輸水側(cè)偏低的呈約5°傾斜布置，徹底解決了本體設(shè)備中積水的問題，減少設(shè)備水擊現(xiàn)象發(fā)生，杜絕了因?yàn)楸倔w積水導(dǎo)致結(jié)冰裂管的現(xiàn)象。翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器的這種設(shè)計(jì)方式具有節(jié)約電、煤、油以及使用方便的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了暖風(fēng)器運(yùn)行期間積灰、堵雜物的難題。

翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器工作狀態(tài)

翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器非工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5所示，此時(shí)暖風(fēng)器風(fēng)阻力為“0”，可以節(jié)約風(fēng)機(jī)電能。

圖5 翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器非工作狀態(tài)

3.3 節(jié)能原理

風(fēng)機(jī)公稱輸出功率是指風(fēng)機(jī)單位質(zhì)量功與質(zhì)量流量的乘積，或進(jìn)口容積流量、壓縮性修正系數(shù)k和風(fēng)機(jī)壓力的乘積[4],即

Pu=qmyFs≌qvsg1pfkp

(4)

式中：Pu為風(fēng)機(jī)空氣功率，kW；qm為風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量，kg/s；yFs為風(fēng)機(jī)單位質(zhì)量凈功，J/kg；qvsg1為風(fēng)機(jī)流量，m3/s；pf為風(fēng)機(jī)壓力，Pa；kp為壓縮性修正系數(shù)。

風(fēng)機(jī)壓力為

pf=pe+pd(Fm)

從式(4)可以看出，風(fēng)機(jī)公稱輸出功率(Pu)與風(fēng)機(jī)壓力(pf)成正比。由于風(fēng)機(jī)壓力(pf)隨風(fēng)機(jī)靜壓(pe)的變化而變化，因此，在相同風(fēng)機(jī)出口壓力條件下，降低風(fēng)機(jī)入口阻力即降低風(fēng)機(jī)靜壓(pe)能夠降低風(fēng)機(jī)所需的空氣功率，起到節(jié)能降耗作用。

圖6 軸流風(fēng)機(jī)特性曲線

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)特性曲線如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器處于非工作狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于降低管道系統(tǒng)阻力，即管道系統(tǒng)阻力特性曲線由阻力曲線2變?yōu)樽枇η€1。在相同流量條件下，可以調(diào)小風(fēng)機(jī)動(dòng)葉角度，降低風(fēng)機(jī)電耗，這與式(4)理論計(jì)算相一致。

4 暖風(fēng)器改造結(jié)果分析

對翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器改造前后運(yùn)行情況進(jìn)行測試，各項(xiàng)指標(biāo)對比如表2所示。

表2 改造前后各項(xiàng)指標(biāo)對比

改造前后差壓及功率對比如圖7所示。

圖7 改造前后參數(shù)對比

從風(fēng)機(jī)改造前后功率對比情況可以看出：

1) 二次風(fēng)暖風(fēng)器A、B側(cè)暖風(fēng)器實(shí)際運(yùn)行差壓高達(dá)271.9 Pa、253.2 Pa，遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)風(fēng)量下設(shè)計(jì)差壓180 Pa。改造后A、B側(cè)暖風(fēng)器停運(yùn)豎立差壓分別下降了256.6 Pa、239 Pa，即改造后僅為15.3 Pa、14.2 Pa，平均降低幅度為94%。

2) 在二次風(fēng)暖風(fēng)器停用后， 改造后二次風(fēng)暖風(fēng)器 A、 B 側(cè)旋轉(zhuǎn)豎立的2臺送風(fēng)機(jī)功率下降之和約59 kW， 節(jié)能率為 9.13%。全年暖風(fēng)器投運(yùn)時(shí)間為6 000 h，此負(fù)荷下年節(jié)約廠用電為59 kW×6 000 h=354 000 kW·h，按照黑龍江省脫硫機(jī)組上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)0.372 3元/kW·h計(jì)算，年節(jié)省費(fèi)用0.372 3×354 000÷10 000=13.179 4萬元。按照1臺機(jī)組2臺二次風(fēng)暖風(fēng)器投資60萬元計(jì)算，5～6年即可收回投資成本，投資收益良好。

5 結(jié) 論

1) 可翻轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器加熱能力與原固定式暖風(fēng)器相同，能夠滿足冬季風(fēng)機(jī)入口加熱需求，有效地防止了空氣預(yù)熱器低溫腐蝕問題的發(fā)生。

2) 實(shí)施可翻轉(zhuǎn)暖風(fēng)器改造后，能很好地改善春夏季節(jié)堵塞問題，降低送風(fēng)機(jī)電耗，節(jié)能效果明顯，對于發(fā)電企業(yè)降低廠用電率，完成節(jié)能減排目標(biāo)任務(wù)具有十分重要的意義。

3) 二次風(fēng)暖風(fēng)器停運(yùn)后，系統(tǒng)阻力降低約10%，有利于軸流風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。特別是該改造技術(shù)推廣至一次風(fēng)機(jī)后，將降低風(fēng)機(jī)“失速”現(xiàn)象發(fā)生的幾率。旋轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器的改造項(xiàng)目投資回收期較短(5～6年)，適宜以合同能源管理方式開展項(xiàng)目建設(shè)。

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Design and Modification of rotatable air heater for 350 MW unit boiler

ZHANG Xin,JI You,YAN Chengxian

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co.,Ltd.,Harbin 150030,China)

In order to solve the problem of low temperature corrosion in the operation of 6×350 MW unit boiler in a factory, the reason of the existence of fixed air heater is analyzed, the modification scheme is proposed in in which original boiler secondary air heater is transformed into rotatable heater and the rotatable air heater is re-designed, checked the calculated. Through the test analysis results of operations are obtained before and after modification of rotatable air heater. The test results show that the modification of 6×350 MW unit air heater in a factory is able to reduce the duct resistance and fan power consumption during the deactivation of the heater, improve the primary and secondary air temperature into the air preheater, reduce the low temperature corrosion of the air preheater heating surface and improve the boiler efficiency and economic benefits.

boiler; steam air heater; 6×350 MW unit; reformation

2017-06-05;

2017-07-17。

張 欣(1964—)，男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)方面的研究工作。

TK229

A

2095-6843(2017)05-0446-04

(編輯侯世春)