趙振宇

（內蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限公司，內蒙古 呼和浩特 010206）

1 前言

電站鍋爐空預器布置在省煤器后，通過將鍋爐尾部煙氣中的熱量傳遞給燃燒所需要的空氣，起到節(jié)省燃料消耗、改善燃燒條件的作用，其結構形式主要分為管式、回轉式或管式，在大型電站鍋爐上主要采用回轉式，空預器已經(jīng)成為電站鍋爐不可缺少的受熱面?？疹A器涉及煙氣與空氣之間的逆流傳熱，其核心性能是傳熱性能。評估空預器傳熱性能的好壞一般用空預器煙氣出口溫度，即排煙溫度來衡量。在部分空預器配套整機或改造項目的技術要求中，除排煙溫度外，還對空氣出口溫度，即熱風溫度也提出了要求，有的還對煙氣側效率也提出了要求。由于空預器性能考核試驗需要收集大量運行參數(shù)和修正計算，這些試驗參數(shù)獲取的難易程度與修正計算的復雜程度，很大程度上影響了試驗的精度和修正結果。本文主要研究這些性能指標之間的內在關聯(lián)和試驗參數(shù)獲取方法，探索設定單一傳熱性能考核指標的可行性，使得空預器性能考核試驗更具可執(zhí)行性和可操作性。

2 空預器性能試驗標準的選用

空預器的性能考核試驗可采用ASME PTC 4.3《空預器性能試驗規(guī)程》與GB 10184-88《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》兩個標準，其中GB 10184-88 標準對排煙溫度的修正，只考慮了進口風溫的變化，沒有考慮煙氣量、空預器X 比、煙氣入口溫度等參數(shù)發(fā)生變化時的修正，在新機組剛剛投運時的修正計算結果與ASME PTC 4.3標準尚較為接近，在機組投運數(shù)年后，由于燃煤變化、機組老化和局部改造等原因，其修正計算結果與ASME PTC 4.3 會產生較大偏差。王祝成等人也建議修改GB 10184-88 標準的部分條文，增加空預器進口煙溫偏差修正排煙溫度公式、空預器進口煙氣量偏差修正排煙溫度事項，以及增加空預器熱容比X 偏差修正排煙溫度事項，以使GB 10184-88 標準更具備可執(zhí)行性。這兩種標準的計算方法有差異從而導致計算結果也有明顯不同，因此，空預器性能考核試驗需要事先明確采用的實施標準。目前階段在實際空預器性能考核試驗中，從反映空預器真實性能的角度出發(fā)，測試單位和電廠主要使用ASME PTC 4.3 標準。

3 排煙溫度和熱風溫度

典型回轉式空預器的傳熱方式如圖1 所示。

圖1 空預器的傳熱方式

熱煙氣自空預器上方的連接煙道進入轉子，從空預器下方的連接煙道流出，冷空氣則正好與之相反，從空預器下方進入轉子，從上方流出?；剞D式空預器的轉子中安裝有大量的波浪形薄鋼板，一般稱為蓄熱片，如圖2 所示。

圖2 空預器蓄熱片

這些蓄熱片在煙氣側較高的溫度環(huán)境下完成蓄熱，通過轉子轉動到達空氣側時，再對溫度較低的空氣進行放熱，周而復始，空預器轉子轉動過程中實現(xiàn)了高溫煙氣向空氣的連續(xù)熱量傳遞。

回轉式空預器在結構上屬于逆流式換熱器，傳熱效率高，可適應溫差較大或者需要大量熱量傳遞的場景。圖3 顯示了空預器各流體溫度的變化方向。

圖3 空預器中各流體的溫度變化方向

大型空預器的空氣側通常還分成一次風和二次風兩個分倉，甚至3 個分倉（1 個一次風倉和2 個二次風倉），為方便分析，將空氣側按1 個分倉看待，將一、二次風的參數(shù)綜合起來取為1 個等效參數(shù)。煙、風進出口分別按ASME PTC 4.3 中的符號做出標記，其中煙氣出口在作傳熱分析時本應該使用漏風稀釋前的符號，現(xiàn)為簡明且不致引起錯誤起見，本文用代替。

煙氣側的放熱量為：

空氣側的吸熱量為：

由于散熱損失相比于傳熱量很小，可忽略不計，煙氣側的放熱量與空氣側的吸熱量總是相等的，即存在熱平衡關系：

不論工質空預器內傳遞多少熱量，熱平衡都客觀存在，傳熱量高則換熱器在高水平上處于熱平衡，傳熱量低則在低水平上處于熱平衡。能傳遞多少熱量，取決于空預器的傳熱能力：

其中，K 為換熱元件的傳熱系數(shù)；A 為換熱元件的傳熱面積；為傳熱溫差，使用對數(shù)平均溫差：

空預器的傳熱量與煙氣的放熱量和空氣的吸熱量也是相等的，即：

這兩個方程聯(lián)立就構成了空預器傳熱的方程組，其中共有10 個變量：傳熱面積A、傳熱系數(shù)K、煙氣流量、煙氣比熱、空氣流量、空氣比熱、煙氣進口溫度tG14、煙氣出口溫度tG15、空氣進口溫度tA8和空氣出口溫度tA9。當一臺空預器已完成設計，需要使用一些指標對其傳熱性能進行評價時，其傳熱面積A、傳熱系數(shù)K 是空預器本身的參數(shù)，是確定的，煙風流量和、煙風比熱和，以及煙氣進口溫度tG14和空氣進口溫度tA8是其使用的邊界條件，也是確定的，即有8 個變量是已知的，通過方程組可以求出煙氣出口溫度tG15和空氣出口溫度tA9，這兩個參數(shù)即可以作為評價傳熱性能的指標。如果在設計邊界條件下實際空預器的排煙溫度高于設計值，或者實際的熱風溫度低于設計值，就說明實際空預器的傳熱性能沒有達到設計要求。

雖然排煙溫度和熱風溫度都可以作為評價空預器傳熱性能的指標，但它們兩個并不是互相獨立的變量，而是存在內在聯(lián)系。從熱平衡方程可知，當排煙溫度tG15確定后，熱風溫度tA9也就確定了，反之亦然，因此，只使用其中一個參數(shù)就可以對空預器的傳熱性能做出評價。

空預器出口熱空氣處于高溫且正壓的環(huán)境，如常見的采用冷一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng)的機組，空預器一次熱風側靜壓一般會在8kPa 以上，風溫超過280℃，測試人員在操作測溫和測壓設備時需要做好隔熱防護，以防止熱風涌出造成灼傷。相比而言，空預器煙氣出口段處于負壓環(huán)境，煙氣溫度一般在150℃以下，溫度相對較低，測量排煙溫度時更加安全，從測量方便和安全的角度來考慮，評價空預器傳熱性能的指標采用排煙溫度更具備實際可操作性。

需要注意的是，實際空預器在運行時不可避免地會偏離設計條件，例如，煙氣進口溫度tG14會因為燃煤成分、火焰中心、分級燃燒等運行條件的的影響而發(fā)生改變，空氣進口溫度tA8受環(huán)境溫度的影響而發(fā)生改變，通過空預器的煙氣流量和空氣流量受燃煤和爐膛氧量的影響而發(fā)生改變，這些改變都意味著空預器使用的邊界條件發(fā)生了變化，排煙溫度tG15必然也會隨之變化，因此，不能用實際運行的排煙溫度直接對空預器進行評價，而是需要采用合適的計算方法，將實際的運行參數(shù)按設計邊界條件進行修正，用修正后的排煙溫度來評價。ASME PTC 4.3 標準提供了對排煙溫度完整的修正計算方法，迄今已使用60 多年，早已被行業(yè)普遍接受，因此使用排煙溫度作為評價指標更為可行。

如果采用熱風溫度來對空預器的傳熱性能進行評價，當邊界條件發(fā)生改變時，同樣也需要對熱風溫度進行修正。從熱平衡原理可知，如果排煙溫度修正后能夠合格，說明空預器的傳熱性能達到了設計要求，意味著熱風溫度修正后也會是合格的，因此也就無須對熱風溫度進行修正，反之，如果排煙溫度修正后不合格，熱風溫度修正后也必然不合格。ASME PTC 4.3 只給出了排煙溫度的修正方法，并沒有給出熱風溫度的修正方法。在空預器性能試驗過程中，也曾出現(xiàn)過空預器技術規(guī)范對熱風溫度提出了要求，但在性能考核時因拘泥于沒有熱風溫度修正的條文引起爭議的情況，從合理評價以及避免引起誤解的角度出發(fā)，只使用排煙溫度作為評價空預器傳熱性能的指標是完全可行的。

4 排煙溫度與煙氣側效率

按ASME PTC 4.3《空預器性能試驗規(guī)程》，煙氣側效率的定義是空預器煙氣側的溫降與最大傳熱溫壓之比：

煙氣側效率代表了煙氣的放熱量與最大可能的傳熱量的趨近程度，也表示了空預器傳熱能力的大小，因而也可以作為評價空預器傳熱性能的指標。從公式中可以看出，其中的煙氣入口溫度tG14和空氣入口溫度tA8都屬于邊界條件，是確定的，因此煙氣側效率最終還是取決于排煙溫度tG15，也即煙氣側效率與排煙溫度也不是互相獨立的變量，它可以看成排煙溫度的導出量。

ASME PTC 4.3 標準中推薦的煙氣側效率計算方法容易受到流經(jīng)空預器的空氣量與煙氣量、空預器進口空氣溫度及空預器進口煙氣溫度等因素的影響，因此需要修正，才能與設備生產廠家的性能保證值進行比較。如果使用煙氣側效率作為評價傳熱性能的指標，當邊界條件發(fā)生改變時，同樣也需要將偏離的條件進行修正。從煙氣側效率的含義看，只要將公式中的煙氣入口溫度tG14和空氣入口溫度tA8取作設計值，也即設計的邊界條件，將排煙溫度tG15取作修正后的值，計算出的結果就是修正后的煙氣側效率。

由于煙氣側效率與排煙溫度本質上是一致的，ASME PTC 4.3 也沒有提供煙氣側效率的修正條文。同樣出于避免在項目執(zhí)行中產生爭議的考慮，相比而言，選定排煙溫度而不是煙氣側效率作為空預器傳熱性能的評價指標，更具備可執(zhí)行性。

5 結語

通過空預器的熱平衡方程和傳熱過程分析，排煙溫度、熱風溫度和煙氣側效率都可以作為評價空預器傳熱性能的指標，但它們不是互相獨立的參數(shù)，而是存在內在聯(lián)系的，一旦一個參數(shù)確定了，另外2 個參數(shù)也會隨之確定。

空預器的排煙溫度測量起來更加方便和安全，而且當邊界條件發(fā)生偏離時，ASME PTC 4.3 給出了完備的修正計算方法，更適合作為評價空預器傳熱性能的指標。熱風溫度、煙氣側效率從傳熱原理上講也可以進行修正，但由于標準中沒有給出具體條文，為避免在項目執(zhí)行中引起爭議，不建議采用。