第２７卷第１期 ２０１１年１月 电力科学与工程 Ｖ０１＿２７．Ｎｏ．１ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊａｎ．．２０１ ｌ 热电站热管式空气预热器的应用研究 张静涛，陆海荣，崔 凝，郝文广 （华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定０７１００３） 摘要：介绍了热管式空气预热器的结构、传热特性．￣ｋｘ－作原理。借助某电站锅炉的热管式空气预热器的 热力计算和经济性分析，提出了余热回收的节能新方案，该方案可以降低电站锅炉的排烟温度，减少锅 炉的热损失，提高锅炉效率。 关键词：热管式空气预热器；余热回收；节能 中图分类号：ＴＫ１７２ 文献标识码：Ｂ 】 ２ ０引 言 能源是经济社会发展和提高人民生活水平的 重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件。２０ 蕉 ４ 世纪９０年代以来，能源供求之问的矛盾不断加 大，为保证ＧＤＰ年均增长８％，面临能源供应保 持每年递增４％左右的压力。基于当今世界能源 ．１音渡发生器（清式装置） ２无机热管 ３方圆管道 ４散热器充体及构架 存储与消耗的形势以及环境保护等方面的迫切要 求，节能问题更显突出¨ 。 目前电站锅炉排烟温度在１６０～２２０ｃＣ左右， 图１热管式空气预热器原理图 Ｆｉｇ．１ Ｃｈａｒｔ ｏｆ ａｉｒ ｐｒｅｈｅａｔｅｒ ｐｉｐｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ 工质是经过特殊处理的液体。热管加热段吸收废 大量的热能直接排放进大气，不仅造成巨大浪费， 对环保也有很大的影响 Ｊ。在锅炉烟道里安装空 气预热器，可减少锅炉排烟损失、煤耗量及有害 气体排放量，实现节能环保 。热管的相对导热 系数可达１０ Ｗ／ｍ・℃数量级，为一般金属材料 的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小 气热量；热量通过管壁传给管内工质，工质吸热 后蒸发和沸腾成蒸汽；蒸汽在压差的作用下上升 至放热段，受管外冷空气的作用，蒸汽冷凝并向 外放出汽化潜热，空气获得热量，冷凝液依靠重 力回到加热段。如此周而复始，废气热量便传给 空气，使空气得到加热。由于热管内部抽成真空， 的截面积远距离传输而无需外加动力，因此热管 工质极易蒸发与沸腾，起动十分迅速，加上是相 式换热器具有输热能力大、均温性能优良、热流 变传热，管内热阻小，能以较小的温差获得较大 密度可变、适应环境能力强、阻力损失小等优点， 的传热效率且结构简单，具有单向导热的特点。 可以较大限度地回收利用低品位余热 。 １ 热管式空气预热器工作原理 热管空气预热器如下图１所示，它是一种利 ２ 热管式空气预热器实例分析 某电厂锅炉额定蒸发量为４００ ｔ／ｈ，排烟温度 为１６０￣｛２，在尾部烟道改造追加一台热管式空气 用余热加热空气的换热设备。 预热器中的热管一般由管壳和内部工作液体 （工质）组成，管壳是钢制的，抽成密闭的真空， 收稿日期：２０１０—０６—０９。 预热器，用烟气余热加热助燃空气以提高锅炉效 率。该燃煤锅炉选用的是焦作无烟煤，其含量为： 作者简介：张静涛（１９８４一），男，硕士研究生，现从事热力系统建模及电厂热经济性的研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌ￣ｊｔｌ１ｌ＠１２６．ｃｏｒｎ。 第１期 张静涛，等热电站热管式空气预热器的应用研究 ４１ 碳６６．１％；氢为２．２％；氧为２．Ｏ％；氮为 为７．Ｏ％。 Ｃｐ＝∑ ＯＪ ＝１．０３（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ） （７） １．０％；硫为０．４％；灰分为２１．３％；水分 ２．３热管的选取 选用管壳材料为２０号锅炉无缝钢管，翅片材 收到基低位发热量Ｑ＝２２ ８８０ ｋＪ／ｋｇ，给水温 料为低碳钢，翅片与管壳连接为高频焊接。热管 度２２Ｏｃｃ，给水压力１１ ＭＰａ；过热蒸汽温度 参数：光管外径ｄ。＝０．０３２ ｍ；热管全长ｆ：２ ｍ； ５４０ｃ《＝，过热蒸汽压力９．８ ＭＰａ。 ２．１锅炉热平衡 根据锅炉的热平衡方程 Ｑ ＝Ｑｌ＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４＋Ｑ５＋Ｑ６，ｋＪ／ｋｇ （１） 该煤种为无烟煤，固体不完全燃烧热损失 ｑ ：４％；可燃气体不完全燃烧热损失ｇ ＝０；排 烟热损失ｇ ：５％；假定散热损失ｇ ＝０．３％；ｇ ＝０。设Ｂ为每小时的燃煤量，由计算公式Ｂ＝ 可得Ｂ：２９．１ ｋｇ／ｓ。 叼 ２．２实际烟气流量计算 ２．２．１理论烟气流量 理论空气量： Ｉ，。： ｆ０ １．８８６ ＋５＿５５ ＋０．７ ７ １．２１＼ １００ １００ １００ １００／ （２） 理论燃烧产物（ｏｔ＝１），理论烟气量 Ｖ ０ ＝Ｖｃｏ，＋Ｉ，ｓｏ，＋ ，＋ ，ｏ （３） 实际烟气量的计算，取过量空气系数ｏｔ： １．２，忽略漏风系数，则单位实际烟气量： ：Ｖ ０ ＋（ｏｔ一１）Ｖ。＋０．０１６（１ｏｔ一１） 。（４） 实际总烟气流量：ｑ ．烟＝Ｂ×Ｖｙ （５） ２．２．２烟气分析 烟气进１５Ｉ温度 进：１６０￣Ｃ；出口温度Ｔ烟出＝ ｌ２０℃，根据以上公式易得，烟气成分（体积分数 ）见表１。 表１烟气成分 Ｔａｂ．１ Ｓｍｏｋｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ 烟气定性温度取１４ＯｃＩ二，烟气压力取为大气 压，查表可得大气压下各种气体的密度值，因此 烟气的质量流量： ｇ ，烟＝２ｑ ＝，Ｚｐ ｇ ，烟＝３９．７×１０ （ｋｇ／ｈ） （６） 根据烟气成分比热及其质量分数，求得烟气 的比热： 热管内径ｄ ＝０．０２７ ｍ；翅片高度ｚｆ＝０．０１５ １１３； 翅片厚度 ＝０．０ ０１２ ｍ；翅片间距ｓ ＝４ ｍｍ；翅 片节距ｓ ｓ ＋ ＝５．２ ｍｍ；每ｍ热管长的翅片数 为： １ｎｒ＝——＝—１ ０００ｎ，：—：—— ：１９２ ５．２ 热管换热器管子排列形式为等边三角形排列， 如图２所示，横向管子中心距Ｓ ＝０．０６７ ｍ；ＳＬ＝ Ｓ， ＝０．０６７ ｍ。 —］ 二＝： ｛ ’ 图２热管排列形式 Ｆｉｇ．２ Ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ２．４热管计算 ２．４．１热管对热量的传递 由式（６）、（７），易求出热管式空气预热器 每小时的换热量 Ｑ ＝Ｃｐ‘ｑ ．烟・△ （８） ２．４．２热管数计算 （１）流体冷侧和热侧换热系数ｈ ，ｈ 。管束 最小流通截面积ＮＦＡ ＮＦＡ＝［（Ｓ 一ｄｏ）一２（Ｚｆ・６ｆ・ｎｆ）】ｆ・Ｂ（９） 流体最大质量流速： Ｇｈｂ ＝ ｍａｘＮＦＡ；Ｇ ——； ｍａｘ —— ＮＦＡ （１。）ｌｕ Ｊ 雷诺数公式： ｍ ： ； ： （１１） 根据经验公式 ，Ｎｕｆ＝０．１３７Ｒｅ￣￣６３３８Ｐｒ ，可 求出流体冷侧和热侧换热系数ｈ ，ｈ；。 （２）翅片效率 。 ４２ 电力科学与工程 由式ｌ ，查矩形肋片效率表得： ＂ｒ／ ＝０．６１，叼 ：０．７５ （１２） ＝ １ 筹 １＋ 筹＋ １ 式中： ， 之分别为管外热侧、冷侧有效换热系 （３）每ｍ长热管管外有效换热系数 。 每ｍ长热管的翅片及问管表面积 ，／４ 为： 数；ｒｈ ，ｒ：分别为管壁热阻、污垢热阻； ｈＨＰ， 分别为管内热侧、冷侧蒸发传热系数，均约为 １．２～１２ ｋＷ／（ｉｎ ・Ｋ），试验表明，进行简略换热 ４ ＝［２× （ 一 ）＋丌・ ・ 】×１ （１３） 器计算时，可取 ＝ ＝５ ８００ Ｗ／（ＩＴＩ。・℃）， Ａ ＝叮Ｔ・ｄｏ（１一凡ｆ・艿ｆ） （１４） 可得总传热系数 每ｍ长热管管外总表面积Ａ 为： ＵＨ＝３２．９９ Ｗ／（１ＴＩ ・ｏＣ） （２２） Ａ ｈ＝Ａｆ＋Ａ （１５） （６）加热总传热面积 ，ｎｌ 。 根据 ＝ 可求出＾ ， 。 ＡｈＨ＝上Ｕ＝８５６・３（２３） ｔｔＡｔｍ（４）污垢热阻ｒ 及管壁热阻ｒ 。 （７）所需热管数／２，根。 由公式ｒ＝÷可求出污垢热阻ｒ ｈ，ｒ Ｃ，管壁热 ｎ： 一 ： ：１ ７６５（２４） 阻ｒ ，ｒ 。 根据其热管的排列方式，经计算验证，按照 （５）总传热系数Ｕ 。 实际总传热面积不得小于计算总传热面积的原则， 由热管式空气预热器的传热过程，可得 可得管子总数： 公式 ］： ｎ＝４５×２０＋４４×２０＝１ ７８０根 （２５） ｕｎ＝一 —— （１６） ３ 计算结果及经济核算 ｈ。（Ａ ＋叼ｆＡｆ）Ａ Ａ ｈｉＡ 并考虑污垢热阻得影响，可得加热段和冷却 ３．１设备总投资 段传热系数： 根据市场热管价格１３５ 根，壳体加工费用 南＝ ＋ｒｗ Ａ＿¨ ｗ ＋筹＋鑫 ，丽… １．１万元，现场施工费用０．５万元，因而设备总投 资： ｉ ７８０ Ｘ０．０１３５＋１．１＋０．５＝２５．６３万元 （２６） 去＝ ＂ ¨ ＋Ａｈ Ａ ｃ＋ 鑫 ３．２年节约费用 根据加热段、冷却段传热方程及以加热段管 该锅炉燃料发热量为２２ ８８０ ｋＪ／ｋｇ，换热器回 外侧得总表面积Ａ 为基准，可得热管总传热系数 收热量折合成煤量为： ＵＨ为： 竺２２ ８００ ： ２２ ８００ 鱼 ：２５７．３５（ｋｇ／ｈ） ９） （２７） ｈ ｈ＋ ＋ 则回收热折合成实际燃煤量约为２８６．９０ ｋｇ／ｈ， 年节约煤量为：２ ５１３ ｔ／ａ。根据市场行情，焦作无 将式（１７）、（１８）代入上式可得： 烟煤价每吨约６７０元，则实际年节约费用１６８万元。 １ Ａ Ａ Ａ Ａ — Ｕ （ａ ¨：Ａ ｎ ｈ￣ｏ：＋ ）。。 ¨； 。 ＋一Ａ ｈｈ Ｈ＋ Ａｉｗｉ。 ４结果分析 ＋ｒｃ ¨；＋ ： ＋ 一 （２ｏ）‘２ （１）采用热管空气预热器，锅炉排烟温度降 考虑吸液芯导热和管内蒸汽流动影响，并且 低了４０℃，锅炉效率得到提高。 冷侧和热侧管外总面积相等，化简为： （２）钢一水重力式热管中所采用的工质水是 第１期 张静涛，等热电站热管式空气预热器的应用研究 ４３ 价廉易得而物理性能又好的自然资源。 Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２００３，（６）：１—４． （３）采用重力循环结构，不需借助其他形式 ［２］ 郑国雄．３００ＭＷ机组回转式空气预热器密封系统改 的外力来帮助工质回流，制造简单、经济。 造［Ｊ］．电力科学与工程，２００８，２４（５）：３６—３８． Ｚｈｅｎｇ Ｇｕｏｘｉｏｎｇ．Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ０ｆ ｒｏｔａｒｙ ａｉｒ ｐｒｅｈｅａｔｅｒ ｓｅａｌｅｄ ５结论 ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ３００ ＭＷ ｕｎｉｔ ｆ Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，２４（５）：３６—３８． 本文通过对一实例的设计研究，提出热管式 ［３］ 田宏伟，丁永三．国电谏壁发电厂８号炉空气预热器 空气预热器具有明显的优异特性，特别是对消除 改造［Ｊ］．电力科学与工程，２００９，２５（２）：６７—７１． Ｔｉａｎ Ｈｏｎｇｗｅｉ，Ｄｉｎｇ Ｙｏｎｇｓａｎ．Ａｉｒ・ｐｒｅｂｅａｔｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ 空气预热器部位漏风十分有效；尤其适用于燃用 低水分、低含硫量、低氧化钙灰分的燃煤锅炉， ｆｎｒ Ｎｏ．８ ｂｏｉｌｅｒ ｉｎ ｇｕｏｄｉａｎ ｊｉａｎｂｉ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，２５（２）： 可强化传热，减少漏风。 ６７—７１． 另外，热管式空气预热器的运行中通过控制 ［４］ 阎维平．电站锅炉应用热管式空气预热器的利弊分 热段管壁温度，可以较好地防止出现低温腐蚀。 析［Ｊ］．热能动力工程．１９９７，１２（６）：４１６—４１８． Ｙａｎ Ｗｅｉｐｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｏｓ ａｎｄ ｃｏｎｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｐｒｅ— 参考文献： ｈｅａｔｅｒ ｉｎ ｐｌａｎｔ ｂｏｉｌｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ，１９９７，１２（６）：４１６—４１８． ［１］詹华，姚士洪．对我国能源现状及未来发展的几点 ［５］ 庄骏，张红．热管技术及其工程应用［Ｍ］．ｊ 京： 思考［Ｊ］．研究与探讨，２００３，（６）：１—４． 化学工业出版社，２０００． Ｚｈａｎ Ｈｕａ，Ｙａｏ Ｓｈｉｈｏｎｇ．Ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｕｌ￣ｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｇｅｎｅｒａｌ ［６］杨世铭，陶文铨．传热学［Ｍ］．北京：高等教育出 ｓｔａｔａｕｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｙｇ 版社，２００６． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ Ａｉｒ Ｐｒｅｈｅａｔｅｒ Ｚｈａｎｇ Ｊｉｎｇｔａｏ，Ｌｕ Ｈａｉｒｏｎｇ，Ｃｕｉ Ｎｉｎｇ，Ｈａｏ Ｗｅｎｇｕａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｙｇ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ａｉｒ ｐｒｅ— ｈｅａｔｅｒ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ａｉｒ ｐｒｅｈｅａｔｅｒ．ａ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆ－ ｉｆｃｉｅｎｔ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ￣ｆｌｕｅ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ￣ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ，ｔｈｅｒｅｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｂｏｉｌｅｒ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ａｉｒ ｐｒｅｈｅａｔｅｒ；ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｐｏｗｅｒ ｓａｖｉｎｇ
