回转式空气预热器漏风对大容量锅炉]热效率的影响探讨

胡 伟，杨 凯，冉铭李旭升陈 灿张秀昌2

(1.国家能源集团江西电力有限公司，江西 南昌 330029；2.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731；3.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)

0 引言

空气预热器是利用烟气的热量来加热燃烧所需空气以提高锅炉热效率的装置。空预器性能对锅炉热效率的影响主要有两个方面：一是排烟温度。排烟温度越低，锅炉热效率越高；二是漏风率。空气预热器有多种漏风形式，不同漏风形式对锅炉热效率影响不一样。现代大型火电厂主要采用回转式空气预热器，本文主要讨论回转式空气预热器(以下简称空预器)漏风率对锅炉热效率的影响。

1 空预器漏风对锅炉热效率的影响

1.1 空预器漏风形式

空预器漏风形式主要分为直接漏风和携带漏风。直接漏风是因烟气、空气之间静压差和动、静体之间的间隙，正压空气通过间隙漏入烟气中。直接漏风一般占空预器漏风的70%～80%；携带漏风是由回转式空预器结构决定。空预器转子在转动过程中，一部分驻留在换热元件中的空气被携带到烟气中，携带漏风与携带漏烟同时存在，携带漏风占空预器漏风的20%～30%。

直接漏风可分为冷端径向漏风、热端径向漏风、旁路漏风、轴向漏风以及中心筒漏风。冷端径向漏风未流经转子，对空预器换热不造成影响，占直接漏风的30%～50%；热端径向漏风是空气经过加热后从空预器热端径向漏入烟气侧，与进入空预器的烟气混合后排出，占直接漏风的50%～70%[1]；轴向漏风也不流经转子，不影响换热；旁路漏风是空气不被加热而混入热风，使空预器换热效率有所下降。这些问题随着旁路密封和轴向密封技术的发展得到了有效控制[2]。

1.2 空预器漏风对锅炉热效率计算的影响

空预器实际漏风较复杂，因此要分析不同形式漏风对锅炉热效率的影响需要分开进行。本文主要分析漏风量占比最大的冷端径向漏风和热端径向漏风对锅炉热效率的影响。以某工程性能设计为例进行分析，该工程装机容量2×1 000 MW，锅炉为高效超超临界参数变压运行直流炉，配2台四分仓回转式空预器。空预器主要设计参数如表1所示。

表1 空预器主要设计参数

1.2.1 空预器冷端径向漏风对锅炉热效率的影响

从空预器的漏风形式可知，冷端径向漏风(也包括其他没有参与换热的冷风)是空气未流经转子，漏入烟气侧的空气与烟气混合，降低排烟温度。ASME PTC4—2008第5章5-13.3阐述“对于有空气预热器的机组，空气预热器内的漏风除了降低排烟温度外，没有起到任何有用的作用。对于效率计算，空气预热器出口的烟气温度测量值必须修正到完全没有漏风时的烟气温度”[3]。由此可见，ASME标准默认空预器漏风主要为冷端径向漏风。表2是不同冷端径向漏风率下锅炉热效率的变化。

表2 不同冷端径向漏风率下锅炉热效率的变化

表2中设计漏风率工况下空预器进、出口氧量分别为2.75%和3.37%，空预器出口烟温未漏风和漏风后排烟温度分别为119.2℃和116.0℃。按照ASME计算要求修正到不漏风情况下(即空预器进、出口氧量均未变化)，排烟温度为不漏风时排烟温度，计算得到的锅炉热效率与设计漏风率工况锅炉热效率相当。随着漏风率增加，排烟温度降低，烟气中氧量升高，干烟气热损失和空气中水分引起的热损失增加，燃料中水分和燃料中氢引起的热损失减少，总排烟损失未变，最终计算锅炉热效率基本未发生变化。

1.2.2 空预器热端径向漏风对锅炉热效率的影响

空预器热端径向漏风是经空预器加热后本应送入炉膛的的空气漏入到烟气侧，随烟气排出空预器。热端径向漏风虽然对锅炉热效率有负面影响，但热端漏风增加了流经空预器的烟气量，提高了烟速同时也加强了换热，但总体来说使锅炉热效率下降。随着热端径向漏风量的增加，这部分热量占燃料向锅炉提供热量比重增加，锅炉热效率降低。计算空预器热端径向漏风对效率的影响见式(1)，不同漏风率对锅炉热效率影响计算结果见表3(为了便于分析计算，将所有漏风均考虑为热端径向漏风)。

(1)

式(1)中，c—空气从空预器入口温度到排烟温度之间平均比热，J/(kg·K)；M1—空预器入口烟气量，t/h；M2—空预器出口烟气量，t/h；T1—空预器入口风温，K；T2—排烟温度(不漏风时)，K；Q—燃料向锅炉提供的热量，J/h。

由表3可知，随着热端径向漏风率增加，对锅炉热效率影响增大。热端径向漏风率每增加1%，锅炉热效率降低约0.043%。设计工况漏风率为3.5%时，对效率影响为0.148%。空预器对锅炉热效率的实际影响小于0.148%，热端径向漏风占总漏风比例越小，对锅炉热效率影响越小。

表3 不同热端径向漏风率下对锅炉热效率的影响

空预器性能计算当热端径向漏风增加4%时，排烟温度基本不变(一般小于0.3℃)。在实际运行中，将控制热端漏风的空预器间隙控制系统投入前后的排烟温度进行比较，基本和计算一致。由于热端漏风造成烟气量增加，因此尽管排烟温度几乎不变，排烟损失仍然有所增加。

2 考虑空预器漏风的锅炉热效率修正

由本文分析可知，性能设计未考虑热端径向漏风，仅考虑冷端径向漏风，设计计算空预器漏风对锅炉热效率没有影响。而实际运行中由于热端径向漏风对锅炉热效率造成影响，因此应对此损失进行修正，修正公式见式(2)。

η′=η+η″

(2)

式(2)中：η′—修正后锅炉热效率，%；η—实测锅炉热效率，%；η″—热效率的修正值，%。

上式中η″热效率的修正值可以通过空预器热端径向漏风对锅炉热效率修正曲线进行修正。以该工程为例，修正曲线见图1。如果实测空预器漏风率为5%，热端径向漏风占总漏风比例为50%(一般取40%～60%)，那么热端径向漏风率为2.5%。由图1可知，对锅炉热效率修正值约为0.105%。

图1 空预器热端径向漏风率对锅炉热效率的修正值

3 空预器的选择以及设计、安装中的注意事项

通过本文案例分析可知，空预器漏风对锅炉热效率影响有限，按全部为热端径向漏风考虑，在设计漏风率3.5%下对锅炉热效率影响为0.148%。热端径向漏风占总漏风比例为40%～60%，实际空预器漏风率对锅炉热效率的影响为0.059 2%～0.088 8%，略大于排烟温度每升高1℃对锅炉热效率的影响(约降低0.05%)。因此，在选择空预器时，在考虑对锅炉的热效率影响时应考虑排烟温度和漏风率。

选择上应多考虑锅炉配套厂家，因其更全面、整体地考虑了锅炉本体性能和空预器换热性能，煤种适应性强，有整体性能为保障，在此基础上可不用修正空预器漏风对锅炉热效率这部分损失。如果选择非锅炉配套厂家的空预器，可能漏风率会控制得相对较低，但若过于考虑成本因素，蓄热元件余量小，排烟温度往往较高，煤种适应差，该情况在实际工程中并不少见。当锅炉本体和空预器厂家不同时，空预器性能未达到设计值对锅炉热效率影响这部分损失，应该在锅炉热效率修正时予以考虑。

随着技术的发展，大型电站锅炉空预器漏风率已经低至3%～4%。空预器各主要漏风中，携带漏风由空预器结构所决定，无法避免。热端径向漏风一般可通过间隙自动跟踪系统控制。要降低空预器整体漏风率须降低冷端径向漏风，从设计、安装上将冷端径向漏风间隙预留更低，但投入成本较高，得到的收益有限。因冷端径向漏风控制较低，除了降低整体漏风率之外，对锅炉热效率没有影响，虽有利于降低厂用电，但增加了空预器运行电流，锅炉遇到突发事件易造成空预器卡死进而导致MFT。因此，运行中既要注重经济性，还要注重安全性，冷端间隙不宜预留过小，建议将空预器整体漏风率控制在5%左右较为合适。

4 结语

1)空预器漏风在性能计算中仅考虑冷端径向漏风，冷端径向漏风除了降低排烟温度外，没有起到任何作用；热端径向漏风对锅炉热效率有影响。本文案例分析表明：热端漏风率每增加1%，锅炉热效率降低约0.043%。

2)空预器热端径向漏风一般占总漏风的40%～60%。在设计漏风率下对锅炉热效率影响为0.059 2%～0.088 8%，略大于排烟温度每升高1℃时对锅炉热效率的影响。因此，空预器对锅炉热效率的影响应考虑排烟温度和漏风率。

3)选择空预器尽量选择锅炉配套厂家，因其能更全面考虑锅炉本体性能和空预器换热性能，煤种适应性强，有整体性能为保障。

4)性能计算中没有考虑空预器漏风不达标对锅炉热效率的影响，但实际运行中可能存在这种情况造成锅炉热效率的额外损失。

5)空预器在设计、安装时，冷端间隙预留应合理，避免运行中空预器电流过大，遇突发事情造成空预器卡死，威胁机组安全运行。建议空预器整体漏风率控制在5%左右。