135 MW循环流化床锅炉空气预热器选型分析

翟永军

（太原锅炉集团有限公司，山西 太原 030021）

引言

在大型锅炉中，空气预热器是不可或缺的重要部件。作为利用锅炉尾部烟气的热量来预热空气，提高锅炉效率的一个重要设备，空气预热器的效能对机组效率有很大影响。随着循环流化床锅炉的发展，空气预热器也越来越受到重视。由于循环流化床锅炉的特殊性，其风压比煤粉炉明显高。尤其是锅炉的大型化及大容量化，空气预热器设计的好坏直接影响到整个锅炉的安全稳定运行。原则上，空气预热器的选型应在锅炉总体方案设计时进行综合技术经济比较，得出最佳方案[1]。

本文以一台135 MW超高压中间一次再热循环流化床锅炉为例，分别按立式管式空气预热器和卧式管式空气预热器进行性能计算，对计算数据及结构数据做比较分析，并在目前管式空气预热器常出现问题的基础上，对两种不同结构型式空气预热器进行简单的讨论。

1 分析比较条件界定

135 MW超高压中间一次再热循环流化床锅炉采用单汽包自然循环、集中下降管、炉膛全膜式水冷壁、绝热式旋风气固分离器、尾部竖井烟道、平衡通风、循环流化燃烧方式，整体呈型布置。锅炉主要由汽包、悬吊式全膜式水冷壁炉膛、绝热式旋风分离器、U型返料回路以及竖井对流受热面组成。

为了能够方便分析立管式和卧管式两种布置结构，在做性能计算之前预先制定了前提条件：将空气预热器作为单独个体来考虑，其余结构做为一个整体，进行一次计算。在都能达到锅炉所要求性能情况下，得出两种型式的结构数据及热力性能参数。

根据结构计算数据和热力计算数据进行135 MW循环流化床锅炉空气预热器结构设计。该锅炉尾部烟道尺寸为7 020 mm×12 360 mm，空气预热器的空间布置需在这个区域进行考虑。

2 性能设计比较分析

2.1 传热系数

从热力性能计算的数据结果来看，立管式空预器总传热系数低于卧管式。由于传热系数的差异，立管式空预器受热面积相当于卧管式空预器的1.45倍之多。这仅仅是理论计算数据，如果考虑实际运行的话，由于积灰、漏风等原因，传热系数会有所下降，空预器所需要的受热面积也会有所增加。

2.2 烟风阻力

从烟风阻力计算结果看，烟气侧阻力两者比较接近，而在空气侧，立式管式空气预热器要远远大于卧式管式空气预热器。这样锅炉如果按立式管式结构设计空气预热器时，将来鼓风机的选取参数会非常大，厂用电率也会大大增加。

2.3 低温腐蚀

导致管式空气预热器低温腐蚀的原因主要有两个，第一是腐蚀源；第二是腐蚀条件。

卧管式空预器烟气在管外冲刷，对流换热系数大，对管子的加热较强；空气在管内纵向冲刷，对流换热系数较小，对管子的冷却较弱，这样管壁温度可以高一些，立管式正好相反。同条件下，卧式比立式管子壁温可高出20~30 ℃。

空气预热器低温腐蚀最严重的部位是烟气出口处，采用卧式布置时，腐蚀严重的是下部几排管子，检修时只需要换下部几排管子，而立式布置时腐蚀的位置是整个管箱的所有管口，需要更换整个管箱。

因此在防止低温腐蚀方面，卧管式空气预热器比立管式占有一定的优势，可以减小检修的劳动强度，保证锅炉燃烧效果。

2.4 积灰

积灰方面，卧管式比立管式具有优势。立管式空预器由于烟气阻力的关系，流速不能选得太高，加上烟气流通截面小，极易造成堵灰现象。而卧管式空预器虽然烟气流速相对较高，但由于管子采用顺列布置，烟气流通截面大，再加上管子直径偏大，同样存在严重的积灰搭桥现象。优势在于卧管式空气预热器产生积灰后，处理难度要小得多，再加上卧管式在低温腐蚀方面占有优势，切断了由于低温腐蚀造成的积灰产生源。在条件允许的情况下，卧管式空气预热器结构更值得推荐。

2.5 漏风

随着锅炉的大型化及大容量化，对于风压要求也变得更高，就以135 MW级别锅炉为例，一次风压高达15 000~20 000 Pa，空气预热器风烟两侧的压差也高达18 000~23 000 Pa。这样情况下，卧管式比立管式占有优势。卧管式布置，空气在管内流动，对于空气泄漏问题上更容易密封，如采用顺列排列方式还可以减轻飞灰对管子的磨损[2]。

另外，对于管式空气预热器来说，烟气与空气之间易产生泄漏的主要地方是管子与管板间的间隙以及联通箱护板间隙。立管式和卧管式虽然布置不同，但在此部分的结构上较类似，且在密封处理上所采用的措施也基本相同。

3 结构设计比较分析

3.1 布置高度

影响空预器选型的第一条原则是考虑尾部烟道中空气预热器的安装空间。以480 t/h超高压中间一次再热循环流化床锅炉为例：如采用立管式结构布置，整体为五流程，布置高度达到20 550 mm；如采用卧管式结构布置，一、二次风上、下分层交错，整体为三流程，布置高度达到12 930 mm。可以看出，立管式空预器的高度比卧管式要高得多。如采用立管式结构，整个锅炉标高要整体往上抬，无论从经济性还是整体布置上，应该说都是非常不合理的。在这种情况下，应该首先考虑采用卧管式空预器。

3.2 膨胀

立管式空预器受热时向上膨胀，对于垂直方向膨胀考虑较多，通常采用管箱和烟风道之间设置膨胀节、管子与护架之间设置小膨胀节的型式来处理。膨胀节一方面解决膨胀问题，一方面防止热烟气、冷空气互窜。

但卧管式空预器设计时，与立管式结构正好相反，对于水平方向膨胀考虑较多。1）管箱重量较大，水平方向周圈设置整体膨胀中心，通过管板加双层垫板的方式直接将管板放在横梁上。2）对于管子与护架间的膨胀，采用了在管箱纵向增设小膨胀节的方式，极大地改善了管箱的工作条件，对管箱的使用寿命也有了一定的保证。此结构既保证了膨胀的作用，又具有密封作用。但是此处的膨胀节占去了连通箱与管板之间的连接空间，使得连通箱与管板连接强度大大下降。管箱的体积庞大，带来的是连通箱体积增大，虽然从其它方面对此采取了一些加强措施，但仍有存在问题的隐患。

3.3 支撑

对于立管式空预器的支撑，设计上比较容易处理，管板水平布置，直接放在两侧支撑梁上。计算时将下管板简化为一个简支梁的模型。

但是卧管式空预器受到很大的限制，主要有以下几方面：

1）管子水平布置，管板呈垂直状态，支撑在支撑梁上。由于管箱管板的位置限定，导致支撑梁的位置被限定，上下管箱之间的布置及连接方式变得难以处理。受支撑梁的影响，管箱出厂时必须事先焊很多的折板，作为密封之用，否则现场无法进行施工。这无形中加大了设计及厂内制造的成本。

2）管子水平布置，考虑到支撑强度，在选用管材规格及管板厚度时非常慎重。同时由于烟道尺寸较大，管子长度也相应较长，应考虑是否增加中管板，并采用三点支撑方式。但是，三点支撑方式使得本来就难以布置的连接烟道结构更加复杂。这样，无论是结构还是密封上都存在着很大的隐患。

4 结语

1）135 MW循环流化床锅炉空气预热器选型时，考虑到尾部烟道中布置空间限制，应该首先考虑采用卧管式结构。

2）立管式空预器结构简单，具体布置时也比卧管式容易实现，而卧管式受本身结构的限制，在膨胀、支撑等问题上变得非常复杂及难处理。

3）在135 MW循环流化床锅炉设计中，在性能方面，卧管式空预器要优于立管式。根据本文传热系数和工质流速的计算结果，卧管式空预器也比较容易解决低温腐蚀、积灰及漏风等问题。

[1] 冯俊凯.循环流化床燃烧锅炉正常运行的规律[J].能源研究与信息,2000(1):1-6.

[2] 吕俊复,张建胜,岳光溪.循环流化床锅炉运行与检修[M],北京:中国水利水电出版社,2003.

[3] 侯益铭,霍国生.两种空气预热器密封技术比较[J].电力技术,2003,18(3):248-250.