孙庆国
山东淄博热电股份有限公司
1 研制新型空气预热器的背景
淄博热电股份有限公司是“八五”期间国家计委批准的热电联产示范项目，现装机容量为100 MW，110 t/h和220 t/h高温高压锅炉各2台，其中110 t/h锅炉自1990年以来多次出现预热器低温段堵灰腐蚀，漏风率上升，烟温差偏大，排烟温度升高。
1、2号炉是哈尔滨锅炉厂制造的HG?100/100?Ⅰ型固态排渣煤粉炉。空气预热器为管式，分上、下2级布置，下级空气预热器又分成2段，由于原设计排烟温度偏低(137 ℃)，致使下级预热器冷段的管壁温度低于烟气露点，运行中腐蚀、堵灰十分严重。为此加装了暖风器，提高了预热器的进风温度，使上述问题得到了缓解，但仍无法从根本上解决。另外，暖风器的使用，使排烟温度上升(168 ℃)，锅炉效率降低，并且其本身耗用大量蒸汽(7 t/h)，造成能源浪费，增加了生产成本。
为此，公司于1994年5月提出采用热管技术改造现有预热器的任务，并提出以下改造目标：(1)以热管空气预热器取代原管式空气预热器的低温段，停用或少用(冬季)暖风器；(2)锅炉排烟温度不高于150 ℃；(3)彻底解决空气预热器的腐蚀、堵灰、漏风问题；(4)布置宽松，便于检修，烟风道改造工作量尽可能小。
根据以上要求，与山东工业大学合作拟定了以下设计指导思想：(1)热管空气预热器具有足够大的传热能力，以保证锅炉正常燃烧和效率；(2)保持较高的传热系数，降低设备造价；(3)将最低壁温提高到烟气露点以上；(4)换热器本身具有优良的不腐蚀、不堵灰或可吹灰性能；(5)尽可能降低烟、风流动阻力，减少送、吸风机的动力消耗；(6)在有限的锅炉空间内，布置得下整个设备及烟风道系统，并将安装、改造工作量降至最低，降低造价、缩短改造工期。
上述6条中以第3、4条作为最主要的设计原则。
2 新型热管预热器设计方案
本热管空气预热器在总体布置上采用多管箱、卧式、双侧气分流烟、风交叉流动的方案。采用该种布置，原有烟、风道不变动，也不破坏立柱、支撑横梁及水泥平台，风机不调头，改造施工量减至最小。
热管空气预热器本体由4个管箱组成，4个管箱尾尾相对，共同组成集中烟道，首首相接，形成两侧风道，极易与原烟、风道实现连接。本预热器还安装有专门研制的烟道自吹灰装置可实现运行中吹灰。
热管预热器采用高温钎焊全渗层翅片热管作为传热元件，母管与螺旋翅片翅根接触热阻为零，翅片表面渗涂镍合金，可使热管的抗酸腐蚀性能提高100倍以上。
热管总根数为1 368根，均分于4个管箱。从控制壁温的要求出发，设计了若干种不同结构尺寸的热管按一定布置规律进行安排，保证在最低壁温高于露点的前提下，取得尽可能大的总传热系数。为提高管壁温度，取较大的热管热、冷段长度比。采用低翅高宽翅距以利防止堵灰；全部热管为可拆卸热管，可单独更换检修，由于可旋转角度，也增加了其磨损寿命。
本设计采用间隔式双通道传热，热冷侧介质在主隔板处的隔离是纯机械式的，设计所采用的环槽过盈密封结构，经实践证明是一种密封极好而又十分简单的结构，从根本上消除了预热器的漏风问题。
在热管空气预热器的烟气通道和空气通道分别设计了独特的旁路结构，可在冬季工况下保证不投暖风器。同时，这种旁路装置还可在煤质变化、给水温度变化时用于调整预热器的流动阻力和热管管壁温度。
热管空气预热器在设计工况下的传热功率为2 520 kW。
3 设计要求
3.1 关于设计煤种
实际运行煤种的低位发热量Qnet.ar为18 000～18 850 kJ/kg，本设计取其平均值，即Qnet.ar＝18 420 kJ/kg，进行热力计算，相应锅炉燃料消耗量为Bj＝16 280 kg/h，以此作为计算预热器烟、风量及烟、风速的依据。
计算烟气流量时，取过量空气系数α＝1.44，计算空气流量时，取过量空气比β＝1.225。
3.2 关于排烟温度
经过仔细计算和反复论证最后决定取排烟温度为150 ℃，其原因有：一是安全上的考虑；二是过低的排烟温度会大幅度降低热管换热器的传热温压，增加设备造价，这将抵消回收烟气余热所带来的好处。另外，热管空气预热器的最大节能效益主要来自暖风器的停用，经计算，其节能量占总节能效益的70 %左右，因此，从安全、经济的综合角度，排烟温度取150 ℃是适当的。
3.3 关于热风温度
考虑到煤粉燃烧的特点以及现用煤种的挥发分、热值较低而灰分较高的情况，必须保证新设计的预热器能维持锅炉稳定燃烧。由于停用暖风器，入口风温将降至10～40 ℃，下级空气预热器低温段的出口风温会有所降低，这是必然的。但由于锅炉的空气预热器系统具有很强的空气温升自补偿性，即沿空气流向后续流程的传热温压增大而使空气吸热量增加，因此，入炉风温受影响很小。此外，在设计时，利用原有预热器空间，尽可能地增加了热管空气预热器的吸热量，使其吸热量比原管式空气预热器增大了47 %，确保了锅炉空气预热器出口风温维持原有水平。
3.4 关于壁温控制点的选择
经反复测试和理论计算，确定118 ℃是锅炉的烟气露点。为了从根本上防止烟气中硫酸蒸汽结露、腐蚀和堵灰及简化预热器结构便于现场布置安装，将最末排热管的设计壁温定为123.4 ℃。
4 结构特点
4.1 关于叉流布置
本次改造，烟、风流动方式为叉流，即烟气从上向下流过热管热侧通道，在主隔板的另一侧，空气从左至右水平流过热管侧通道，2介质流向呈90°空间交叉。采用叉流，一方面可大大简化系统布置，使改造费用和改造工作量减至最小；另一方面，这种布置方式对提高最末排(若干排)热管的平均壁温非常有利。这是因为在叉流布置下，整个热管管束的最低壁温仅限于进风侧下角的1根热管，而沿着空气流动方向，同一排管子的壁温会很快随着风温升高而陆续升高，这一特点是与逆流布置不同的，对防止预热器的结露、腐蚀、堵灰特别有利。从流动阻力设计看，叉流布置使空气与烟气侧的管排数可以彼此独立变化，为优化热管空气预热器的结构参数增加了一个自由度，这也是逆流布置所不具备的。
当然，叉流布置的传热温压会比逆流布置小些，但根据计算，影响不大，因为其温压修正系数φ值达到了0.955，接近于1。
4.2 热管空气预热器旁路装置
锅炉冬季运行时，预热器入口风温和排烟温度会有较大程度降低，使热管的壁温工况恶化。为防止可能出现的热管壁温低于烟气露点而产生腐蚀、堵灰问题，设计了2种旁路装置：烟气旁路装置和空气旁路装置。烟气旁路装置是依靠一部分烟气绕开大部分受热面而直接到达下面几排热管来提高壁温的；空气旁路装置是借助减少主风道的风量和风速来提高壁温的。
4.3 烟气自吹灰装置
在热管空气预热器的入口，研制、安装了一种新型、简单的烟气自吹灰装置。
该装置共4套安装于每个管箱入口框架上，可单独进行烟气流速调节。操纵杆的动作由操作室远方控制。关死部分小翻板，烟道烟气将集中从其它管箱流过，从而使烟速增大，增加自吹灰动力。由于采用了立式组合管箱，烟气在各管箱间互不串通，所增加的烟速可一直维持到预热器的出口，确保末几排管子的吹灰效果。可通过依次开、关各管箱挡板的不同组合，取得所需要的吹灰效果。按最大吹灰速度，比正常运行时烟气的自吹灰能力提高64倍。
该装置利用烟气自身灰粒动能吹灰，结构简单，操作灵活，不消耗蒸汽或其它动力，实现了全域吹灰，司炉只需在操作室每天操作1次，在12～13 min时间内即可消除全部积灰，运行后表明，该装置运行中吹灰对锅炉燃烧工况无影响。
5 投运效果及经济效益
新型空气预热器自1994年7月投运以来，未出现任何堵灰和腐蚀现象，传热性能稳定；每次检修检查表明新预热器管光洁完好，无需维修和维护，自吹灰装置操作简便有效。经2次热力测试证明：排烟温度稳定在140～150 ℃，漏风率为零，空气预热器热风温度保持在340～347 ℃范围内，全部达到设计要求。
经热效率试验测试证明新预热器年可节标准煤约7 000 t，加上提高设备安全运行可靠性和减少维护费用等其它增效项目，年可创经济效益约150万元，该项技术改造共投资60万元，最后经测算其投资回收期约为0.7 a。
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