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空氣預熱器

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空氣預熱器 [1]  (air pre-heater)就是鍋爐尾部煙道中的煙氣通過內部的散熱片將進入鍋爐前的空氣預熱到一定温度的受熱面,是一種用於提高鍋爐的熱交換性能,降低能量消耗的設備。 空氣預熱器一般分為板式、迴轉式和管式三種。以迴轉式為例介紹了空氣預熱器的工作原理。大量未燃盡的可燃物會沉積在傳熱元件上可能空預器着火,因此對其着火原因進行了分析,並着火原因及應對措施進行了詳細説明;還詳細介紹了掉閘分析以及漏風治理。
中文名
空氣預熱器
外文名
air pre-heater
作    用
提高鍋爐的熱交換性能
簡    稱
空預器
類    型
設備
學    科
熱力學

空氣預熱器介紹

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空氣預熱器(air preheater)也被簡稱為空預器,是提高鍋爐熱交換性能,降低熱量損耗的一種預熱設備。空氣預熱器的作用,是將鍋爐尾部煙道中排出的煙氣中攜帶的熱量,通過散熱片傳導到進入鍋爐前的空氣中,將空氣預熱到一定的温度。
一般簡稱為空預器。多用於燃煤電站鍋爐。可分為管箱式、迴轉式兩種,其中迴轉式又分為風罩迴轉式和受熱面迴轉式兩種。電站鍋爐較常採用受熱面迴轉式預熱器。在鍋爐中的應用一般為兩分倉、三分倉、四分倉式,其中四分倉較常用於循環流化牀鍋爐中。

空氣預熱器工作原理

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迴轉式空氣預熱器為例説明空氣預熱器的原理,在工作時會緩慢的旋轉 [2]  ,煙氣會進入空預器的煙氣側後再被排出,而煙氣中攜帶的熱量會為空預器中的散熱片所吸收,之後空預器緩慢旋轉,散熱片運動到空氣側,再將熱量傳遞給進入鍋爐前的空氣。
空氣預熱器在鍋爐中的應用多為三分倉式,附帶有火警報警系統、間隙調整系統和變頻控制系統。空氣預熱器的使用方便、操作簡單、運行安全,並能提高鍋爐系統的熱交換性能,因此在煙氣鍋爐系統中有很普遍的使用。

空氣預熱器作用

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1、 改善並強化燃燒 [3] 
經過餘熱器後的空氣進入爐內,加速了燃料的乾燥、着火和燃燒過程,保證了鍋爐內的穩定燃燒,提高了燃燒效率
2、 強化傳熱
由於爐內燃燒得到了改善和強化,加上進入爐內的熱風温度提高,爐內平均温度水平也有提高,從而可強化爐內輻射傳熱。
3、減小爐內損失,降低排煙温度,提高鍋爐熱效率
由於爐內燃燒穩定,輻射熱交換的強化,可以降低化學不完全燃燒損失;另一方面空氣預熱器利用煙氣餘熱,進一步降低了排煙損失,因此提高了鍋爐熱效率。根據經驗,當空氣在預熱器中升高1.5℃,排煙温度可以降低1℃.在鍋爐煙道中安裝空氣預熱器後,如果能把空氣餘熱150-160℃,就可以降低排煙温度110-120℃,可將鍋爐熱效率提高7%-7.5%。可以節約燃料11%-12%。
4、熱空氣可以作燃料乾燥劑
對於層燃爐,有熱空氣可以使用水分和灰分較高的燃料,對於電站鍋爐,熱空氣是制粉系統的重要乾燥劑和煤粉輸送介質。

空氣預熱器分類

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按空氣預熱器的傳熱方式可將空氣預熱器分為導熱式和再生式兩大類。在導熱式空氣預器中最常用的是管式空氣預熱器。隨着鍋爐參數的提高和容量的增加,管式空氣預熱器的受熱面也增大,這給尾部受熱面的佈置帶來了困難。因此,在大容量機組中多數採用結構緊湊、質量較輕的迴轉式空氣預熱器。空氣預熱器一般分為板式、迴轉式和管式三種 [4] 

空氣預熱器板式

這種空氣預熱器多用1.5-4mm的薄鋼板製成。將鋼板焊接成成長方形的盒子,將若干盒子拼成一組,整個空氣預熱器由2-4個盒子組成。煙氣由上向下通過,經過盒子外側,空氣則橫向通過盒子的內部,在下部轉彎向上,兩次與煙氣交互傳遞能量,使煙氣與空氣形成逆向流動,獲得較好的傳熱效率。
板式空氣預熱器由於耗用鋼材較多,結構不緊湊;焊縫多且易滲漏,現在很少採用。

空氣預熱器管式型

管式空氣預熱器的主要傳熱部件是薄壁鋼管。管式空氣預熱器多呈立方形,鋼管彼此之間垂直交錯排列,兩端焊接在上下管板上。管式空氣預熱器在管箱內裝有中間管板,煙氣順着鋼管上下通過預熱器,空氣則橫向通過預熱器,完成熱量傳導。
管式空氣預熱器的優點是密封性好、傳熱效率高、易於製造和加工,因此多應用在電站鍋爐工業鍋爐中。管式空氣預熱器的缺點是體積大、鋼管內容易堵灰、不易於清理和煙氣進口處容易磨損。

空氣預熱器迴轉式型

迴轉式空氣預熱器是再生式空氣預熱器最常見的形式,它是利用煙氣和空氣交替地通過金屬受熱面來加熱空氣。迴轉式空氣預熱器按運動方式可分為受熱面轉動和風罩轉動兩種,本爐的兩台空氣預熱器為三分倉受熱面旋轉式空氣預熱器。
轉子旋轉式空氣預熱器由圓筒形轉子和固定的圓筒形外殼及驅動裝置組成。
迴轉式空氣預熱器又可分為兩種型式:一種是受熱面旋轉的轉子迴轉式,另一種是風道旋轉的風道迴轉式。
轉子迴轉式空氣預熱器是由轉動的圓形轉子和固定的外殼組成,轉子式受熱面,它被分為許多倉格,裏面裝有蓄熱板,蓄熱板吸收燃氣熱量並蓄積起來,等到轉至空氣那面,再將蓄積的熱量釋放給空氣,自身温度降低。受熱面不斷旋轉,熱量便會不斷從煙氣傳送給空氣,空氣得到加熱,煙氣冷卻,這是迴轉式空氣預熱器的工作原理。
迴轉式空氣預熱器的主要優點是體積小、重量輕、傳熱元件允許有較大磨損,因此特別適合大型鍋爐使用,缺點是結構複雜,且消耗電力,漏風量較大。
附帶系統
迴轉式預熱器主要有火災報警(熱點探測)、間隙調整、變頻控制、潤滑油系統、轉子停轉報警系統、吹灰和清洗系統等。
空氣預熱器 空氣預熱器
影響迴轉式空氣預熱器性能的關鍵問題是 [1]  :漏風、腐蝕和堵灰。在設計管式空氣預熱器時,應合理地選用空氣流速和管箱尺寸,或者沿氣流方向加裝防振隔板,以防止引起空腔共振。防振隔板還有消除噪聲的作用。迴轉式空氣預熱器的漏風是一個重要問題,應從設計、製造、安裝和運行等方面採取措施,使其在熱狀態下動靜組件之間保持合理的密封間隙。燃用高硫燃料時,管式和迴轉式預熱器均易產生腐蝕和堵灰。防止的措施有:在空氣進口處加裝暖風器或採用熱風再循環;採用低氧燃燒或摻燒添加劑,以減少煙氣中SO2 氣體的生成量;定期吹灰,以保持受熱面清潔;受熱面採用耐腐蝕的材料等。

空氣預熱器着火原因

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着火原因分析
大量未燃盡的可燃物沉積在傳熱元件上是空預器着火的必要條件,也是關鍵所在。空預器的傳熱元件由薄板組成,排列很密,單位體積受熱面很高,在其下部金屬温度低,低負荷運行時最低,很容易積灰。在鍋爐最初調試階段,在點火(油點火)以及長期低負荷運行的情況下(投油),因燃燒不完全,從爐膛帶來的凝結油霧和未燃盡的可燃物堆積在空預器中層下部及冷端傳熱元件上,這是着火的根源。
造成大量油霧和未燃盡可燃物堆積在空預器上的主要原因有:
⑴機組設備故障多,運行調試人員經驗不足,造成調試周期過長,燒油過多,而且燃燒不好;
⑵油壓或霧化汽壓不適當,汽孔、油孔堵塞,霧化不佳;
⑶配風不當;
⑷點火器漏油;
⑸長期低負荷運行,鍋爐啓停次數多;
⑹空預器吹灰器未能有效投入。在鍋爐啓動和低負荷運行時,由於冷端金屬温度低,使空預器易積灰,這時應加強吹灰。然而由於某些原因啓動初期吹灰介質的汽壓和汽温不足,過熱度低,吹灰效果不理想。
着火的預防措施
儘量減少在空預器上沉積未燃盡可燃物
其關鍵是使燃料完全燃燒。用油點火及低負荷投油時,油温、油壓、汽壓應合適,使油霧化良好,配風正確;油槍不堵塞,不漏油;燃燒穩定、充分,以儘量減少未燃盡的可燃物。
加強對空預器的監視
機組啓動前應對空預器全面檢查,若發現或判斷空預器有較多未燃盡的可燃物堆積時,決不能投入熱態運行,一定要進行水清洗,然後烘乾。應保證吹灰器能正常投入,吹灰介質參數合格。
運行過程中,特別是啓動、熱備用後再啓動以及空預器突然停轉和停爐後,應嚴密監視空預器的端點温度(空預器煙風進、出口温度)。若其中的一點或多點温度不正常升高,則應立即分析研究,以便即時發現着火。例如,運行時排煙温度超過正常值30℃左右就預示可能着火,若繼續升高就認為已着火,若温度繼續升高肯定着火。當停爐後,空預器已停止轉動,入口煙温不變或變化很小時,而出口煙温起初緩慢增加,後急劇上升,也表示空預器着火。運行人員應監視爐膛火焰,定期觀察煙囱。空預器轉子停轉後,應觀察傳動電機電流。
經驗表明,着火最有可能發生在停爐後的幾小時之內,而此時大部分運行人員已撤離現場,留守人員往往不注意空預器的端點温度,當突然發現着火時,一般已燒了1h以上,使損失增加。因此,熟悉預熱器性能和操作規程是監視空預器的前提。
裝設着火探測系統
紅外線着火探測系統:在空預器空氣側入口或出口安裝數個紅外線探頭,探頭做直線運動,在預熱器轉動時,對所有傳熱元件進行1次掃描約需10min。若空預器局部着火,發出的紅外線超出正常水平,系統就發出報警信號。該系統的優點是靈敏度高,能早期探測出着火情況。這時立即投入大量水滅火,一般很快就能將火撲滅。
有效吹灰
大量的積灰除容易產生着火外,還會降低傳熱效率、增加空預器的阻力。因空預器冷端最容易積灰,所以通常在空預器出口煙氣側裝有吹灰器。為防止着火必須有效吹灰,正常運行時一般8h吹1次;啓動期間每4h吹1次;停爐前也應吹灰;點火期間、長期低負荷運行或堵灰嚴重時應增加吹灰次數。
啓動初期,若吹灰蒸汽參數達不到要求,可用壓縮空氣吹掃。
正確水清洗
空預器吹灰器的作用是有限的,例如空預器中間層下部傳熱元件易堵灰,吹灰器一般不能清除。因此進行正確的水清洗也很重要。另外,某些可燃物結垢也只能用水沖洗來清除。一般水清洗週期為1~2次/年。水清洗後一定要烘乾空預器,否則空預器將很快發生腐蝕、堵灰。
增設消防水系統
在空預器的煙氣側、一次風和二次風側均裝有環行消防水管道,管道上安裝數十個噴咀。
空預熱器着火處理
空預器的着火常起源於中間層下部和冷端傳熱元件。從局部極小面積着火到大面積燃燒需要較長時間,通常需1~2h,有時更長。為了減少損失,就儘快判斷是否着火。通常從空預器端點温度着手,有時通過空預器空氣出口入的觀察孔觀測是否着火,如發現着火應立即關閉觀察孔,着火嚴重時有煙氣泄漏或明顯輻射,煙囱冒黑煙。
當發現空預器已着火,應立即手動MFT,停止引風機運行,隔離空預器,關閉空預器進、出口擋板。空預器保持轉動,消防水和多噴咀清洗水管路立即投入滅火,同時打開煙風道上的排水口。經驗表明,用泡沫、化學物或蒸汽來悶熄火焰效果均不好,此時保證消防水量很關鍵。空預器着火後絕不能打開入孔,防止空氣進入助燃。萬不得已時,如消防水和清洗水管道故障而沒有水投入,可以打開入孔,用電廠消防水滅火。注意滅火一定要徹底,並認真檢查決不留後患。

空氣預熱器掉閘分析

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一、故障原因
⑴ 經解體檢查發現接觸器內部同一槽內主接點(B相)與輔助接點(A相)在送電時引起短路,觸頭燒燬,分析在減速機油泵熱偶動作時,接觸器內部已因過熱而燒損,送電時引起短路。
⑵ 空預器減速機油泵接線為螺絲壓緊線頭的方式,受外力作用容易脱開,造成電機缺相運行。
⑶ 運行人員在送電時僅搖測電機絕緣,而未搖測接觸器的絕緣(接觸器上還有空氣開關)。
⑷ 原設計上存在問題,空預器為2路電源,正常運行時分別帶1台空預器及其輔助設備運行,2路電源互為暗備用,且為互聯動,這樣在一路電源發生永久性故障的情況下,另外一路電源自投於故障點上,致使2路電源均失電,造成空預器均停,直接威脅機組正常運行。
二、採取措施
⑴ 同一槽內主接點與輔助接點接為同一組。
⑵ 對空預器電機電纜在離接線盒10 cm處進行固定,其它電機有類似情況也同樣加固。
⑶ 對有接觸器和空氣開關的接線,在故障掉閘後檢測絕緣時,同時檢測接觸器上下口絕緣,都合格後方可送電。
⑷ 運行方式上原2路電源各帶1個空預器,2路電源為暗備用,應改為明備用或取消自動互聯(在1台空預器故障情況下,查明情況後手動送電)。
⑸ 對掉閘設備,檢修人員進行處理時應同時檢查開關或接觸器切斷故障後有無燒損等情況。
通過對空預器迴路的改造以及運行檢修方面採取措施後,空預器未發生類似情況,從而有效地防止了因此導致的停機。

空氣預熱器漏風治理

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1、漏風的原因分析
1) 由於轉子轉動,必然會將格倉中的空氣帶入煙氣中而形成攜帶漏風。
2) 由於轉子轉動,動靜之間必然存在間隙,煙氣側為負壓,空氣側為正壓,因此由壓差的存在而使空氣漏向煙氣負壓側而形成直接漏風。
①空預器漏風控制系統(LCS)一直工作不正常,運行中熱端扇形密封擋板不能自動跟蹤轉子的 蘑菇狀變形以減小漏風間隙,而且帶灰空氣漏向煙氣側時造成扇形密封擋板嚴重磨損,進一步增大了漏風間隙,而漏風量的大小與漏風區域面積成正比,因此空預器漏風劇增。
②由於鍋爐燃用熱值低、灰份高的廣旺貧煤和空預器換熱元件特別是低温段換熱元件的低温腐蝕等原因,造成空預器換熱元件積灰、堵灰嚴重,流道堵塞後增大了流通阻力,造成空氣側與煙氣側壓差增大,而漏風量的大小與壓差的平方根成正比,因此堵灰又加劇漏風。
2、漏風治理措施
1) 漏風治理措施的探索。空預器配有漏風控制系統(LCS),由於扇形密封擋板可以調節,在空預器外殼和可調扇形密封擋板之間設有滑片密封條。長時間運行後,這些密封條被磨損, 形成一條縫隙,使空氣和灰塵可以在扇形密封擋板背後通過,這樣一方面增加了空預器的漏風,另一方面隨着灰塵的積累,限制了扇形密封擋板的移動。因此,從其工作環境就決定了空預器漏風控制系統(LCS)工作的不可靠性,換句話説,投入大量人力、物力恢復漏風控制系統(LCS)得不償失。
相反,豪頓華工程有限公司的容克式空預器 VN 設計技術則取消漏風控制系統(LCS),在扇形密封擋板、軸向密封擋板和外殼之間焊接新的板條,將扇形密封擋板和軸向密封擋板固定在某一位置,形成完整的焊接結構,從而消除了二次漏風的可能。當然,在固定之前應預先計算出扇形密封擋板和軸向密封擋板固定的位置,以保證在任何負荷情況下扇形密封擋板和軸向密封擋板均能適應轉子熱態變形。同時,採用“雙道密封”來加強現有空預器的徑向和 軸向密封效果,它是通過加倍掠過徑向軸向密封板上的密封片的數量來實現的。這樣,煙氣 空氣流壓力之間有一箇中間壓力,使得兩股氣流之間壓差減小一半,也可以理解為迷宮式的 “雙道密封”增大了空氣流向(漏向)煙氣側的流動阻力,這樣可以有效地降低漏風率。
經反覆研究、比較,決定採用豪頓華工程有限公司的 VN 設計技術對容克式空預器密封系統進行改造,以控制空預器的漏風。
2) 利用空預器換熱元件已到使用壽命應全部更換的機會,委託豪頓華工程有限公司採用其容克式空預器的 VN 設計技術,以鍋爐在燃用廣旺煤並摻燒4 000 Nm/h天然氣的 M CR 工況為改造設計基礎進行改造設計。
①改造前後設計參數對比(見表1);
②改造前後換熱元件變化的對比(見表2);
③取消漏風控制系統(LCS),固定所有的扇形密封板、軸向密封板,並加裝二次徑向隔板,使徑向和軸向密封片加倍;
④根據轉子隔倉變化選用豪頓華工程有限公司換熱元件板型重新設計換熱元件外形尺寸;
⑤因扇形板和熱端中心筒密封盤的重量轉移到上連接板上,因此取消四根懸吊螺桿,將熱端中心筒密封盤固定在上連接板上,並把中心筒密封盤軸封焊死。
3) 校核推力軸承承載能力。空氣預熱器底部推力軸承為 45 BV 型可傾瓦式滑動軸承,其承載能力為 263 083 kg,即 263 t。改造前空氣預熱器轉子重量為190 t,改造後轉子重量 為 200 t,比推力軸承設計的最大支撐重量低得多,因此不會影響軸承使用。
3、漏風治理經濟性分析
由於改造前後鍋爐使用的燃料等條件不可能完全相同,以下僅以機組在空預器改造前後滿 負荷工況下作粗略對比分析。
1) 空預器改造前後滿負荷工況下主要性能參數比較(見表3)
2) 空預器換熱元件已到使用壽命,庫房內換熱元件備件已用完,此時進行空氣預熱器改造即改造了密封裝置,又更換了換熱元件,可謂一舉兩得。
3) 漏風率降低,可保護鍋爐燃燒氧量充足,減少鍋爐不完全燃燒熱損失和排煙熱損失,排煙温度降低了19 ℃,鍋爐效率大致提高1%,每年可節約標煤7 200 t。同時,熱風温度 提高了30 ℃,有力地保證了廣旺貧煤的着火和穩定燃燒。
4) 漏風率降低,減少了空氣和煙氣流量,降低送風機、引風機電耗 300kW·h,每年大約可 節省廠用電 180萬kW·h,同時也避免了因風機出力不足而影響整台機組的出力。
5) 漏風率降低,減少了空預器出口煙氣流量,降低了煙氣流速,從而使靜電除塵器的效率增加,同時所有在空預器下游的設備磨損降低,其維修、維護量大大減少。
6) 對空預器本身,漏風率減小,空氣側漏向煙氣側的流量下降,流速降低,各易磨損件的壽命也延長,維修、維護工作量減少。
7) 取消漏風控制系統(LCS),徑向滑片密封條、軸向正滑片密封條、各密封擋板的位置校正 等維修工作可完全取消,簡化了檢修工作,同時減少了空預器的檢修工作量。
空氣預熱器排煙温度高的主要原因:
由於電站鍋爐的空氣預熱器普遍排煙温度較高,而較高的排煙温度造成鍋爐效率下降,所以制粉系統乾燥出力不足,長期運行,很不經濟。這是預熱器行業普遍共性的問題,通過對電廠調研,可以看到預熱器排煙温度高的主要原因是 [1] 
1) 設計缺陷嚴重,如對鍋爐實際設計參數的分析,對預熱器選型計算的疏忽,錯誤的選用傳熱元件板型和預熱器型號等造成了預熱器存在先天不足。這是預熱器換熱能力不足的主要原因。
2) 製造質量太差,預熱器內部傳熱元件有嚴格的尺寸要求,幾何學上微小的差異也會造成預熱器換熱能力的天壤不同,因此,在製造時由於傳熱元件板厚的變化、元件之間內部組合尺寸的差異,均會大副影響預熱器的換熱能力。這也是預熱器換熱能力不足的主要原因。
3) 制粉系統的漏風過大,制粉系統的漏風過大,造成進入預熱器的有組織風量減少,造成預熱器排煙温度高。
4) 爐底漏風的增加,原理同制粉系統,都是經過預熱器的有組織風風量減少。
5) 其他原因。
解決辦法:針對具體原因進行分析後,進行性價比較高的改造,如果預熱器先天不足,則需重新更換。所以對於預熱器的設計問題的重視,才是其性能的有力保障。

空氣預熱器常見問題

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空氣預熱器是用來傳導鍋爐系統中排出煙氣熱能的一種裝置。空氣預熱器的應用能提高鍋爐系統的熱交換性能,因此在鍋爐系統中使用的較為廣泛。空氣預熱器在運行中會出現一些故障和問題,以下是其中常見的幾種 [5] 
1、空氣預熱器的振動問題
空氣預熱器在運行中容易出現振動的問題,這個問題的根源主要在於空預器的設計。空氣預熱器在設計時就要考慮其運行中的振動問題,避免空預器發生振動,需要合理的選擇空氣流動的速度,或沿着空氣流動的方向加裝防振隔板。
2、空氣預熱器的堵灰問題
空氣預熱器另外一個常見問題是堵灰。空預器在工作時會接觸到鍋爐排出的煙氣及其中所攜帶的顆粒型灰塵,長時間灰塵堆積即會形成堵灰。同時,空氣預熱器在基礎鍋爐排出煙氣中所攜帶的二氧化硫氣體時可能發生腐蝕,腐蝕後的物質也會形成空氣預熱器的堵灰。
空氣預熱器防止堵灰的方法,是在空氣進氣口加裝暖風器或採用熱風再循環,並採用低氧燃燒和加入添加劑的方法,降低煙氣中二氧化硫氣體的生成。另外,空氣預熱器的定期吹灰,也對保持空氣預熱器的清潔有很大的作用。
3、空氣預熱器的其他問題
空氣預熱器的其他常見問題還有噪聲和漏風。空氣預熱器處理振動問題時加裝的防振隔板,對降低和消除空氣預熱器的噪音問題也有很大作用,而關於空氣預熱器的漏風問題,則需要從設計、運行等多個方面提高空氣預熱器的密封性。
參考資料
  • 1.    應靜良, 李永華. 電站鍋爐空氣預熱器[M]. 中國電力出版社, 2002.
  • 2.    王建國, 徐志明, 楊善讓. 空氣預熱器積灰在線監測模型[J]. 中國電機工程學報, 2000, 20(7):37-39.
  • 3.    曲建安, 趙東飛. 鍋爐上的空氣預熱器[J]. 應用能源技術, 2001(1):22-23.
  • 4.    閆本近, 董紹平. 煉油加熱爐空氣預熱器的發展與展望[J]. 石油化工設備, 2014, 43(1):56-60.
  • 5.    呂兆聚, 邢學山, 呂維勇. 迴轉式空氣預熱器的常見問題及改進措施[J]. 吉林電力, 2001(2):44-47.