燃煤锅炉热管式空气预热器技术分析.pdf

第 2 2卷第 4 期 2005年7月 河北工业科 技 H ebeiJo urn a l ofIn d u strial Seie neean d T e ehn o logy V ol . 22 , No . 4 J u ly2005 文t幼号 1008 一1 53 4200 50 4 一0202一03 燃煤锅炉热管式空气预热器技术分析 陈建平 ’, 藏雅林 “, 盖建堂 “, 曹立新 ” 1 . 天津科技大学机械工程 学院 , 天津 30 0222 ; 2 . 中国民用航空学院职 业技术学院 , 天津 300 300 ; 3 . 石家庄焦化 集团有限责任公司 , 河北石家庄 050 031 摘要 针对列管式空气预热 器所存在的 问题 , 在介绍热管技术的发展情况和热管工作原理的基础 上 , 分析了燃嫌锅炉热管式空气预热 器相 时于传 统列管式空气预热 器的优 .点, 并结合实际工程实 例 , 阐迷了在热管式空气预热器设计中需重 .汽考 虑的技术问题以及解决方 法和措施 , 计算了热管式 空气预热 器节煤 效益 , 得出该种空气预热 器能够减轻堵灰和 腐独 、风 阻 小 、 寿命长 、 节能效果显 著的 结论 。 关链词 热管 ; 换热 器 ; 空气预热 器 中圈分类号 T K229 . 6 文献标 识码 A A na ly s es o f the he a tPIPe a irPe rheater fo r the eoa l 一fir e dboile r CHENJian - -ping ‘, ZA N GY a一linZ , GAIJia介ta n g 3, C AOL i 一x in 3 1 . C o l leg e of M eeh a n i ea l E ngineeri呀, Tian jinU niver sityof S c ien c e and T e ehn o l呢y , T i an j in 30 0222 , Chi n a , 2 . C o lleg eof Vo c a t i on a lT e ehn o f ogy , A viation U泣v e rsity of C hin a , T i an j in 30 0300 , C hin a . 3 . B ur nt卜ehe m ieLimitedL iabilityGr o u p of Sh i j i a Zh an g , Shi jia zhu a n g H eb e i050031 , C hin a A6 str act F O r th e dis adv an t昭e s ofshe l ltube air prehe ate r , the heatpipe airpr e he at e r 15dev elop ed . In c om parison wirh rhe tr aditi o n a l sh elltu b e air pr ehe ater , th e m er i 招of he at pipe air p rehe ate r f o r c o al - fi re d b o iler a r e an a lyze d . Thefu n etio n pr ineiple ofhe atpipete c hn iq u e 15a l so in tre d u ee d in thisPape r . S o m eim p e rtan t pr ob lem sand thesolutions in the de sig na n d a etualiza - tion a re expatiate d . Thep ro fit ofeo a l s avin g15 ealeula t e d . The e onelu sion thatthe he atpipepr ehe ate rean obtainsli g h t eind sr a ee um 以atio n , lit tler e sista n e e , f o吃Iif e an d ee o n o miz ation one n ergy15 m ade . K ey w o r d sheatpi伴;he at ex c ha昭er ,‘perheate r 锅炉空气预热器安装 于 锅 炉烟道低 温段 , 利 用 排烟余热预加热进人炉膛的助燃空气 , 达到 提高炉 膛温度 、锅 炉热效 率及节约燃料的 目的 。 该空气预 热器属 于气 一气 型换热器 。 1 传统列管式空气预热器存在的问题 目前锅炉生 产厂家为锅 炉配套生产 的空气预热 收稿日期 200 4 一12一2 6, 修回日期 20 05一3 一31 责任编辑 张军 作者简介 陈建平1 961 , 男 , 河北唐县人 , 高级工程师 , 硕士 , 主要从事机械设计制造及自动化 、机 械故 障诊断及运行监侧 方面的 研究 。 器为列管式空气预热器 , 其由多根纵向排列 的碳钢 光管及箱体组成 , 工作方 式 为热烟气由管内纵向通 过 , 空气由管外 流过 , 二者 通 过 管壁换热 , 达 到加 热 空气的 目的 。 在实际应用 中 , 该预热器存在以下问 题 。 1 . 1 漏风 管子被烟尘磨穿或被腐蚀穿后 , 造成漏风 , 使空 气流人烟气 中 , 对锅炉安全经济运行产 生以下 不 良 影 响 。 l 使送风 引风机负荷加 大 , 电耗加大 。 2 由于烟气中混人 空气 , 使得烟 温降低 , 空气预 热效果降低 , 锅 炉效率下降 , 燃煤量增 加 。 第 4期 陈建平等嫩煤锅炉热管式空气预热器技术分析 3 烟温降低后 , 造成严重 的低温腐蚀和 露点以 下 的猫性积灰堵灰问题 , 堵灰严重 时会造成烟气流 通 面积减 少 , 使烟气流速增 加 , 磨损 加 剧 , 导致漏风 更严重 , 造成恶性循环 。 4 当漏风严重 时 , 燃烧所需空气量不够 , 影 响锅 炉 出力 , 进而影 响生产 。 1 . 2 腐蚀 由于烟气在管内流动 , 向外传热 , 因而每根管子 沿管长方向的管壁温度不同且不是定值 。 这 就可能 使一部分管子在最大腐蚀温度区间 内工作 , 极易造 成严重腐蚀 。 对 于 电 站等行业露 天 布 置 的大 型锅 炉 , 由于空气温度变化较大 , 这就使得 上述情况更严 重 。 另外 , 在漏风严重 的情况 下 , 锅 炉降负荷 运行 , 管 壁温度更低 , 腐蚀将更严重 。 1 . 3 姑性堵灰 工作在 烟道低温段 的空气预热器堵灰与腐蚀是 密切相关的 。 在酸露点以下工作的管子由于硫酸结 露 , 产生翁灰现象 。 传统列管式 空气预热器由于每 根管子两端的管壁温度差别大 , 很难避开 酸露点 , 致 使腐蚀严重 , 猫性堵灰也很严重且清理很困难 。 以热管作为传热媒体的热管式空气预热器可解 决列管式 空气预热器的以上 问题 。 2 热管式空气预热器技术分析 2 . 1 热管技术发展概况 1 968 年 , 美国第 1 次成功地将热管技术应用 于 航天器及高空航空器热控制 。 2 0世纪8 0年代初 , 美国又制造 出第 1只低 成本 热管 , 使热 管技术从 “天”上转到“地”上, 热管制造成本的降低 , 使该技术 应 用范围迅速扩大 。 中国从 2 0世纪7 0年代开始进 行用 于航空航天领域的热管技术的理论研究和试 验 , 并日益广泛地用 于节能换热等领域 。 2 . 2 热管工作原 理 热管的典型结构见图 1 , 它 由管壳 、毛 细 多孔材 料吸液芯和蒸气腔蒸气通道所组成[ i . 幻 。 从传 热状况看 , 热管沿轴向可分为蒸发段 、 绝 热段 、 冷凝 段 3 部分 。 工作时 , 蒸发 段 因受热而使毛 细材料中 的工作液体工作介质蒸发 , 蒸气流 向冷凝段 , 在这 里受到冷却使蒸气凝结成液体 , 液体再沿多孔材料 靠毛细力 的作用 流回蒸 发段 。 如 此循环 , 热 量 由热 管 的一端传至另 一端 。 由 于汽化潜热大 , 所以在极 小 的温 差下就 能把大量 的 热量从热管 的蒸发段传至 冷凝段 。 热管几乎 是 在等温状态下传递热 量 , 导热 速度快 。 实验表 明 , 1 根长为 0 . 6m 、 直 径 为 1 3 mm 、 质量 为 0 . 3 4 kg的热管 , 在 10 0 ℃工作温 度下 输送 20 0 W 的能量 , 其温 降仅为 0 . 5℃ 。 而输送 同 日日日/ / /日日 日日/ / // / /l { { {日日 1 1 1 . . . . . , 一 一丁 一一7e s二,e s,舒e se s下e se s下下一一 一 二 尸 一 一一万一飞飞「少 一一 1 1 1 1 一 已 、 、 万万, 卜. ‘归 口‘‘曰 一 引引 1 1 1 . 一一一气匕一 一 沪沪沪 1 1 1 口户 e s 叫卜 一一一 、、 l l l l l l I , - 一 杯 一 一 一 J J J J 1 1 1.- 1 1 1 绝热段 段 l }111 } } } 燕燕发段段段 冷凝段 段 1一热管壳;2一吸液芯;3一燕气月-液体 图 1 热管工作原理 F ig . 1F un cti on Prin eipleofh eatpiPe 等能量的 同样长 的实心铜棒质量为 0 . 7kg , 两端温 差竟高达 7 0 ℃ 。 绝热段作为蒸气通道的 不工作部 分不承担传热任务 , 而是 为了分开冷 、热 源并使 热管 能适应某种 布置方式而设置的比叼 。 当热管在地 面上应用 时 , 只要将热管倾斜放 置 , 加热段在下 , 冷却段在上 , 便可利用重力来帮助凝液 回流 , 这样对吸液芯 的要求大大降低 。 当热管与水 平方向倾角达到某值时 , 就可以不加吸液芯 , 完全依 靠重力回流液体 , 这种热管称为重力热管或称热虹 吸管 。 重力热管结构简单 , 制造容易 , 成本低 , 适用 于节 能工程中[ 5 j 。 2 . 3 热管式空气预热 器技术 特点 热管式空气预热器相对于传统列管式空气预热 器主要有以下优点[ e ] 。 1 热管式空气预热器能彻底解决漏 风 问题 。 根 据热管换热器的工作原理和 工作方式 , 热管方案可 以彻底解决漏风 问题 。 这是由于 工作时冷热介质间 严格隔开 , 即使万一 热管被磨穿 , 也只能引起该热管 失效 , 热管另 一端还 是完好的 , 不会使空气泄漏到烟 气侧 , 因此在任何情况下都不会漏风 。 2 热管方案可以减轻腐蚀及控制腐蚀 。 热管是 等温传热 , 管壁各部分温度近似相等 , 这就可使热管 在酸露点以上工作 。 当壁温比酸露点高1 0 ℃以上 时 , 就 可以避免受热面腐蚀 。 对于工作在低温段 烟 道的空气预热器 , 可采用 调 整设计参数的方法将工 作在最大腐蚀温度区间内的热管管壁温度调高 , 避 开最大腐蚀温度区 , 使热管腐蚀速度低 于 0 . 2m m/ a 。 若采用 2 . 5m m壁厚 的热管 , 热管方案工作寿命 至 少为 lo a 。 3热管方案能减轻积灰和堵灰 , 并可采取防止堵 灰的技术措施 。 该方案可使热管排的管壁温度大 于 酸露点 , 只发生松散性积灰而无豁性积灰 , 积灰很少 。 4热管式空气 预 热器换热效率高 , 空气预 热效 果好 , 节煤 , 并 且工作稳定性好 。 河北工业科技第 2 2卷 3 工 程实例 2003 年 , 天津科技大学机械工 程学院与石 家庄 焦化集团有 限责任公司合作 , 对该公司动力分厂2 0 t / h燃煤锅 炉进行了热管式空气预热器改造 。 3 . 1 设 计热管式空气预热器重点考虑的问题 1 管材的选择与防腐问题 燃料煤中的硫在燃烧时大部分生成 50 , 其中 一部分在高温区被氧化成硫醉50 3 , 与燃烧气体 中的水蒸 汽反应生成硫酸蒸气 。 当热管的外壁 温度 低 于硫酸蒸气凝结温度露点时 , 将产 生露点腐蚀 , 严重影 响设备寿命 。 所以 , 露 点腐蚀和随之产 生 的 猫性积灰问题是设计中的关键问题 。 实验测定 , 当 w50 3 为22X 1 0 一6 、烟 气中的 尹H ZO 为10时 , 露点约为1 4 0℃ 。 热管外壁温度计算式为 气 一T g一q/ A 、 x h 、 , 式中 气 为热管加 热段外壁温度 ; 几为烟气温度 ; Q ; 为单根热管传热量 ; A 、 为热管加热 段烟气侧 外表面积 ;h为 为加 热段的管外放热系数 。 本设计为降低成本未采用抗腐蚀强 的不 锈钢 , 而是 采用了普通碳钢作为 管壁材 料 。 该 “空预器”采 用逆 流方式 , 处于烟气出口 , 同时位于 空气进口的管 排壁 温最低 。 设计中调整热管及预热器结构等有关 参数 , 使热管的最低管壁温度为 16 5 ℃ , 高于露 点温 度 , 消除露点腐蚀和翁性积灰 。 2 工作液体工质的选择及 工 质 与管壳材料 的相容性问题 在 根据热管工作温度确定工质时 , 重 点考虑其 与管壳的相容性 , 使热管内部在工作中不 产 生不溶 性气体 , 保证热管式 “空预 器 ” 的长期高效稳定工作 , 在工质选择 中 , 还要力求使其传热能力高 、 化学成分 稳定 、湿润 性能好 、 热阻小 、 无毒 、成本低。 本设计中采用蒸馏水作为 主要工质 。 3 强化换热 问题 热管式空气预热器的制造工 艺成本高于列 管式 空气预热器 , 为了减少原材料的消耗 , 降低设备成 本 , 在设计中主要采取了以下 强化换热措施川 将 相邻行 的热管布置成差排方式 , 增 大总体迎风面积 ; 在热管上采用高频焊接圆周 向翅 片的方法 扩展换 热面积 , 翅片高度 为 9m m , 考虑 到烟 尘 的冲刷 损 耗 , 烟气侧的翅片厚度为 1 . 2mm , 大 于空气侧的翅 片厚度0 . 8m m 。 通过以上措施 , 该热管式 空气预 热 器 的体积只 有原列管式空气 预热器的 l/ 3 , 质量 也大 大减少 。 4风阻 问题 热管式 “空预 器 ”的烟气侧和 空气侧的阻力 须控 制在较小 的范围内 。 若阻力值超标 , 将增大送 风 引 风机的负荷 , 甚至改变炉膛压力 , 影响锅 炉效率和安 全运行 。 前述为了加强换热能力所采用 的差排方式 和翅 片管结构都不利于降低风 阻 。 通过计算得知 , 在 相 同结构条件下 , 烟气侧的风阻较空气侧大得多 , 防止 风阻过大的关键在 烟气侧 。 为此 , 采用不等距 翅片 结构 , 使烟气侧的翅片 间距 8 m m 大于空气侧翅 片 间距 5 m m , 合理分配煤气侧和空气侧的热管 长 度 , 烟气侧热管长 度 为2 30 0mm , 空气侧热管长 度 为 17 0omm , 这样烟气侧 的 流通面积为 空气侧的 1 . 23倍 , 减小了烟阻 。 这些措施使该热管式 “空 预器”的烟 气侧和空气 侧的 阻力都小 于原配列管式 “ 空预 器 ”, 保证了锅炉 的安全运行 , 并降低了送风引风机的负荷 , 送风引风 机通过变频调速 , 节能效果显著 。 3 . 2 实用效果 该2 0 t /h嫩煤锅炉热管空气预 热器 , 至今已运行 l a 多 , 无明显积灰及腐蚀现象 。 在锅炉烟 温只有22 0 ℃的情况 下锅炉设计烟温为 2 60℃ , 空气预热温度 达到1 4 0℃ , 比原配列管式空气预热器提高3 5 ℃ 。 节能效果略算如下 。 该热管空气预热器 lh比原列管式 “ 空预 器 ” 多 回收热量 嗽风味△T 8 . 61X10 5 J , 式中 空气的质量 流量 风 2 4 37 3kg/h ; 干空气的 比热容 味 1 . oogXlo , J/kg , C ; △T一35, C 。 烟煤燃烧 lh 发 热量 Q y “1 . 8 9 X 1 0 , J , lh 比 原列 管式 “空预器”多节 煤 w 、 q /Q , 一4 5 . 4 4 kg , 每年比原管箱式 “空 预 器 ” 多节煤W 。 30 0X 2 4 X W 卜/10, 327 . I t每年按30 0 个工作日计算 。 按一般烟煤平均运到价约为3 8 。元/ t 计算 , 热 管式 “空 预器 ” 每年比列管式 “ 空预器 ” 节 约资金 327 . 1X380124298 元、12 . 43 万元 。 由此可见 , 热管式 “ 空预器 ”节 煤效果显著 。 4 结语 综 上所述 , 热 管式 空气预 热器与列管式 空气预 热器相比较具有预热空气温度高 、 节省原材料 、 寿命 长等诸多优点 , 尤其是 能够解决漏风问题 、薪性 积灰 和露点腐蚀难题 , 节能效果显著 。 参考文献 「 l ] 李亭寒 , 华 诚生 . 热管设计 与应用〔M〕 . 北京 化学工 业出版 社 , 1987 . 下转第217页 第 4 期张保安分组装拆器PAD的应用实例 由于移动数据通讯站点不是建在山顶就是设在 建筑物的顶部 , 所以人工维护 和监控这些站点不仅 效率低下 , 而且成本昂贵 , 为此笔者设计了以 AT - MEL 8 9C5 5 为核心 的 网络监控系统图 。 网 络监控 系统可监测移动基站 的很多运行参数 , 并把监测 的 数据通过基站配备的卫星通讯系统上传到省市级的 管理中心 , 省市级的管理中心再上传到全国的管理 中心 。 控制信息可从全国或省市级的管理中心通过 卫星传送到指定的监控系统 , 监控系统接收到指令 后实施控制 。 监控系统除监测 和控制 2 大部分外 , 还设计了 RS2 32接口与卫星 室内单元通讯 , 这样监控系统就 成为一个字符终端 。 由于卫星室内单元内部集成了 PAD , 这个字符终端通 过这个PAD就可以与基于 X . 2 5 协议的卫星网络通讯 。 在 网络监控系统的软件设计上 , 监控系统首先 使用 X . 28的SET 命令按 X . 3 协议将所有应用 到 的PAD用相同的2 2个参数来设置 , 这样就保持了 网络监控系统中所有PAD设置 的一致性 , 省去 了 通 过X . 2 9协商 PAD 参数的过程 。 设置好 PAD的参数后 , 字符终端用 X . 2 8 的 CA L L 命令按 X . 2万的地址呼 叫 上位机建立 虚 电 路 , 虚 电路建立后 , 就可以进行数据传翰 。 当数据传 输结束时 , 监控系统通过发送字符 “D LE” 使 PA D 返回命令状态 , 在命令状态 下 发送字符串 “ CLR ”, PAD 就清除虚电路结束通讯并返回字符 串 “ CLR CONF “ 予以确认 。 下 面是监控系统设置PAD 、 呼叫连接远程终 端 、建立 虚 电路 、 数据传输和清除虚 电路的软件流 程 。 S E TI l S E TZ 0 SE T3 2 数据透明传输过程 10H CLR C LRCONF 实例中斜体部分为用 户发送给 PAD的命令 , 带下划线 的为 PAD 返回信息 ,“, ”为 PAD 命令提 示符对于不同的公司的产品 , 可 能不同 。 SETI 1将PA D的参数1 的值设置为 1 , 当参 数 1 的值为 1 时 , 在呼 叫链接状态发送十六进制的 “ 1 0HD LE ”, PAD 将由数据状态进 人到命令状 态 . 在命令状态下发送呼 叫清除命令 “CL R”就可 以 清除呼 叫链接 , 否 则PAD就会把 “ CLR ” 当作数据 发送到目的终端上 ; SETZ O 是将参数 2 的值设为 O , 这样本地不 回显输人的字符 ; SET3 2 是将参数 3的值设为2 , PA D以回车符作为启动将字符串封 装为分组发送出去的条件 。 CAL L123。。0 1 是呼叫 X . 2 5地址为a 1 230001 ” 的远程终端 。 当出现提示符 “CO M ”后 就表示 2 个终端之间的虚电路已建立 , 2 个终端可以进行数据传输 。 数据传输完成后 , 发送 十六进制的 1 0HD LE后PAD就从数据传输状态 进人到命令状态 。 在命令状态下发送 CLR 字符 串 就清除 了虚 电路 , CL RCON F 是 PAD 送给终端的 清除确认 。 3 结语 在满足传输速度要求的条件下 , 监控系统采用 RS2 32 接 口与IDU 连接通过 PAD用X . 2 5协议通 讯比采用 TCP/I P 协议可节约很多硬件成本和 开发 费用 , 在实际应用 中取得很好效果 。 CAL L1230 0 01 补 COM 参考文献 【 1〕王秉钧 . 现代卫星通信技术〔M〕 . 北 京 电子工业出版 杜 , 20 0 4 . [ z ]何立民 . MCS5 1系列单片机应用系统设计系统配t与接 口技术〔M〕 . 北京 北京航空航天大学出版社 , 19 9 0 . 司护 ‘司卜司卜, 护司卜峭, 、目卜司p,口入明卜心卜叫卜司护训产司产司卜司卜司卜峭口、d护司卜司卜司卜司卜司卜司, , 娜、d 卜峭护洲卜司价, 卜叫护叫卜司卜叫卜叫卜司卜司卜司卜, 口、日卜司价司卜司护, 口、‘卜d 卜司卜 上接 第204页 [2] GROL LM , ROSL ER5operatio n prin eiple a nd 伴r f o r m a n c ee al he at P ip e s[J] . JHe a t M a ss Tr a n f er,197 3 , 16 169 一1 8 6. of hoat pipe 。ndt, o -ph as ethe r m osyphon s [J] . N on一Equ il ib [5] 勒明聪 , 陈远国 . 热管及热管换热器[M〕 . 重庆 重庆大学出版 T her m o d yn , 1 9 92 , 172 9 1 一151 . 社 , 198 6 . 〔 3〕庄 胶 , 张红 . 热管技术及其工程应用【 明 . 北京 化学工业〔 6 ] 马同泽 , 侯增棋 ,吴 文铣 . 热管〔M〕 . 北京 科学出版社, 198 3 . 出版社 , 200 0 . 【 7 ] 钱烦文 , 朱冬生 , 李庆领 , 等 . 管式换热器强化传热技 术〔Ml 以〕 B U SSE CA . T be oryofultimat e hea t tr an,f er li t n i tofeylind6 一 北京 化学工业出版社 , 20 03 .