电厂锅炉空气预热器转子及换热元件优化研究

摘要： 本文主要针对某电厂4 号炉空气预热器的转子及换热元件进行优化研究。通过分析空气预热器的常见问题，探讨了转子结构和换热元件的优化方法，以提高空气预热器的性能和可靠性，为电厂的安全、高效运行提供保障。

关键词：电厂锅炉；空气预热器；转子；换热元件；优化

一、引言

在电厂中，锅炉是重要的能量转换设备。空气预热器作为锅炉的重要组成部分，其作用是利用锅炉尾部烟气的热量加热进入锅炉的空气，提高锅炉的热效率，降低能源消耗。然而，某电厂4号炉运行已久，冷端换热元件损坏较严重，元件框底部筋条减薄、缺失，疲劳断裂；运行中出现转子动静部位碰磨现象。更为严重的是近年4号炉空预器出现转子隔板裂纹、密封片和密封压板变形脱落、冷端元件掉落等现象，已经严重影响机组安全稳定运行。因此，对空气预热器的转子及换热元件进行优化研究具有重要的现实意义。

二、进行技术改造的必要性分析

1.空预器转子大部分重量靠径向隔板传递给主轴，径向隔板根部裂纹持续发展可能导致转子垮塌下沉，历次检修虽然多次将裂纹焊接修复，并对靠中心筒位置的钢板裂纹补强加固，有一定的效果，但裂纹仍在发展。

2.新加高的仓隔板与原有径向仓隔板径向焊缝多次开裂，环向隔板与径向隔板焊缝裂纹，双层仓隔板间的间隙均会影响空预器整体刚性，加速了中心筒处径向隔板根部裂纹的发展。

3.原设计全模式仓格与仓格之间通过垫板和螺栓联接固定，转子受热变形不均匀，整体刚性差，出现较多径向隔板水平折弯断裂，增加了转子与扇形板之间的剐蹭，加速了中心筒处径向隔板根部裂纹的发展。同时断裂的径向隔板如正好卡在扇形板位置可直接导致空预器停转。

4.转子外侧存在下沉，历次检修虽然将裂纹焊接修复，但转子变形无法恢复，目前转子整体呈蘑菇状，转子外侧下沉，导致转子角钢与扇形板的间隙越来越小，转子仓格框架高度下降导致托架脱落，同时也会加速中心筒处径向隔板根部裂纹的发展。

5.冷端元件吹损严重，搪瓷换热板已出现严重下沉（300～500mm），冷端搪瓷元件高度的减少将使硫酸氢胺沉积位置上移，加速热端元件腐蚀、加速空预器堵塞，有必要对冷端换热元件进行换型改造。

6.元件包底部筋条吹损减薄，受水平力作用疲劳断裂，换热元件片间松散，压紧力严重不足均可导致换热元件片散落、下沉，一旦换热元件片下沉位置超出密封片，极可能造成空预器卡死停运事故。元件包底部筋条必须加强或更换元件。

三、空气预热器存在的问题

1. 影响人身和设备安全的问题

空预器转子裂纹造成空预器转子整体刚性差，密封片、换热元件片等散落，与空预器扇形板碰磨，可导致空预器停转；空预器转子裂纹持续发展甚至可导致空预器转子整体垮塌下沉的设备损坏安全事故；冷端换热元件状况恶化导致空预器堵塞，炉膛压力波动，炉膛易冒正压，烟气外漏造成检查孔、排渣口等处周围人员烫伤，同时可能引起周围电缆、设备烧损。

2.影响设备可靠性的问题

空预器转子裂纹造成空预器转子整体刚性差，密封片、换热元件片等散落导致空预器电流波动大；冷端搪瓷元件换热板破损，已局部出现严重下沉、松散现象，一旦下沉位置超出密封片，存在造成空预器卡死停运安全隐患，影响设备可靠性。

3.系统配置与偏差

空预器转子刚性差，需优化转子结构，增强转子刚度，消除全模式转子双层隔板间隙，使转子受热变形更均匀，防止产生额外的内力。根据当前的煤种和运行要求，重新校核、优化换热元件结构及板型。

4.环境保护的问题

空预器转子裂纹存在造成空预器卡死停运安全隐患，导致炉膛压力波动，炉膛烟气外漏，大量灰尘及含硫、氮等的有害气体污染周边环境。

四、空预器转子及换热元件的优化设计

1.空预器转子优化设计

在优化设计中，我们保留了空预器的原有主轴，并根据实际运行情况和设计要求，对主轴进行了必要的检查和修复。同时，我们对空预器的转子进行了重新优化设计，以提高其整体性能和可靠性。

（1）安装新型空预器转子

新型空预器转子采用半模数仓格结构，相比传统的全模数仓格结构，具有更高的强度和刚度，能够更好地承受高温、高压、高粉尘等恶劣环境下的负荷。此外，新型空预器转子还采用了先进的制造工艺和材料，如隔板材料由Q235B升级为Q355B，进一步提高了其可靠性和使用寿命。

（2）径向隔板和环向隔板的优化

在半模数仓格结构中，径向隔板和环向隔板是构成转子骨架的关键部件。我们通过优化径向隔板和环向隔板的结构和制造工艺，减少了焊接量和联接件数量，降低了转子的重量和制造成本。同时，径向隔板和环向隔板之间采用少量的焊接即可形成一个360°的整体，提高了转子的整体性和稳定性。

（3）仓格与仓格之间的联接方式

在传统的全模数仓格结构中，仓格与仓格之间通常通过垫板和螺栓联接。然而，这种联接方式存在联接件数量多、联接强度低、易松动等问题。在新型空预器转子中，我们采用了新的联接方式，即仓格与仓格之间不再通过垫板和螺栓联接，而是采用直接焊接或铆接等方式进行联接。这种联接方式不仅提高了联接强度和稳定性，还降低了联接件数量和制造成本。

2.换热元件优化设计

在优化设计中，我们对空预器的冷热端元件进行了优化和改进。通过采用先进的制造工艺和材料，提高了冷热端元件的耐腐蚀性和耐高温性能。同时，我们还对冷热端元件的结构进行了优化，减少了换热面积和阻力损失，提高了换热效率。而且作为回转式空预器的核心部分，换热系统的板型选择尤其重要。考虑 ABS 影响和换热效率要求，空预器元件设计为热段 1200mm 高、0.5mm 厚、SPCC、脱硝专用板型，冷段 1100mm 高、0.75+2*0.15mm 厚、搪瓷材料、脱硝专用板型。

（1）空预器热段元件板型

改造热段板型为采用新型高效热端板型，材质为 SPCC，强化传热和防堵性能。与现其他类 DU 板型相比，新型高效热端板型换热性能略好，同时，由于其具有更大的波纹，防堵性能有了极大提升，工程应用表明，相同高度下，阻力减小 10%。高效热端换热元件具有更高的波高以及更大的宽度，即每对板具有更大的流通面积（增加 15%），使得阻力下降。同时，高效热端换热元件还优化了斜波纹的结构参数，可提升换热能力，保证机组效率。

（2）空预器冷段元件板型（防堵设计）

改造冷段采用脱硝机组专用大通道全封闭板型，材质搪瓷，为独立封闭板型，阻力系数更小，吹扫面更集中，可有效减小空预器运行阻力并防止空预器的堵塞和腐蚀。脱硝机组专用大通道全封闭兼具有良好换热特性和 NF6 直通道板型的防堵灰特性。是一种封闭单通道大波纹板型。因为 ABS 的结晶区域在冷段，因此冷段元件必须具备良好的清洁特性。

五、结论

本文对电厂锅炉空气预热器的转子及换热元件进行了优化研究。通过优化转子结构和换热元件，可以提高空气预热器的性能和可靠性，降低能源消耗，为电厂的安全、高效运行提供保障。同时，还应加强对空气预热器的运行管理和维护，及时发现和解决问题，确保空气预热器的长期稳定运行。

参考文献：

[1] 王志勇. 电厂锅炉空气预热器技术及应用[M]. 北京： 中国电力出版社， 2018.

[2] 李华. 空气预热器原理与设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2016.

[3] 张晓晨. 电厂锅炉空气预热器故障分析与处理[J]. 电力技术， 2019（10）： 56-60.