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摘要：本文研究了不同型式的蒸汽空气预热器及其疏水结构，并基于某高参数垃圾焚烧项目，分析不同空预器型式的空预器的耗汽量以及对全厂能效的影响。研究结果表明：通过设置过冷段，可有效降低空预器的疏水温度，在相同加热条件下，可有效减少空预器的耗汽量，并且采用多级式空预器，可有效降低高品质的蒸汽耗量，有效提升全厂能效，实现能量的梯级利用；同时，通过设置闪蒸罐实现汽液分离，并在疏水管路出口设置调节阀，实现疏水压力的控制，有效解决传统机械式疏水阀存在的管道振动等问题。

关键字：蒸汽空气预热器；多段式；疏水结构；全厂能效；

0 引言

垃圾焚烧发电是指利用生活垃圾或掺烧部分工业垃圾、陈腐垃圾或污泥等燃烧产生的热能进行发电的工艺。相对于传统的火力发电厂，其主要特点是垃圾焚烧发电以出力垃圾为首要目的，入炉燃料的热值相对较低且变化幅度相对较大。因此垃圾焚烧发电中需要设置加热器对入炉一次风进行预热，入炉一次风的温度范围为150℃～220℃之间。考虑到垃圾焚烧产生的烟气成分复杂，且腐蚀性较高，目前垃圾焚烧厂普遍采用布置在炉外的蒸汽空气预热器对入炉一次风进行加热[1]，高压段加热汽源为锅炉汽包抽汽、低压段加热汽源为汽机抽汽[2]，蒸汽-空气预热器疏水系统大部分采用机械式疏水阀。

两段式空预器因结构问题，空预器汽水测的疏水温度为所在压力下的饱和温度。运行过程中机械式疏水阀频繁开关使得疏水阀故障率较大，容易产生汽液两相流现象，导致空预器系统不能够长期稳定运行，疏水阀故障会导致空预器系统发生如下问题：空预器换热效率降低，增加空预器耗汽量，降低发电效率，降低全厂经济收益。疏水阀故障会导致疏水含有大量蒸汽进入疏水系统，对疏水管路产生冲蚀，疏水管路减薄速率加快，降低管路使用寿命。同时，疏水管路产生水锤现象，管路振动，对管路的安全使用产生较大影响[3]。

面对“国补退坡”的影响，垃圾焚烧厂通过提高蒸汽参数、优化热力系统等措施，以提高焚烧厂的整体收益，目前垃圾焚烧的蒸汽参数从早期的中温中压（4.0MPa、400℃）发展至中温次高压（6.4MPa、450℃）、中温超高压（13.5MPa、450℃）及次高温超高压（13.5MPa、485℃）。本文基于高参数项目（13.5MPa、450℃），针对空预器本体结构及疏水系统进行优化，提出来四段式、七段式空预器及闪蒸罐+疏水调节阀的疏水型式，结合实际运行项目，分析不同型式的空预器对全厂能效的影响。

1蒸汽空气预热器及其疏水形式

1.1两段式蒸汽空气预热器

两段式蒸汽空预器的加热段为两段，沿空气流程分别为低压加热段与高压加热段，其中低压段的加热汽源为汽机抽汽，高压段的加热汽源为汽包抽汽。通过一次风机从垃圾仓抽取一次风进入空预器中进行加热，在低压加热段一次风加热至140℃后再由高压加热段加热至220℃。加热段采用轧制翅片管，管内蒸汽通过与空气换热后冷凝后转变为该工况下的饱和水。

通常在两个加热段的出口设置汽液两相流或倒吊桶式疏水阀，将加热段出口的汽水混合物进行分流，分流后的饱和水接入除氧器中进行闪蒸降压并进行工质的回收。

1.2三段式蒸汽空气预热器

三段式蒸汽空气预热器是在两段式的结构基础上增加一级过冷段，将高压段的凝结水引至低压加热段前，通过加热一次风，将高压段的冷凝水进一步过冷。沿空气流程分别为高压过冷段、低压加热段与高压加热段，其中低压段的加热汽源为汽机抽汽，高压段的加热汽源为汽包抽汽。

为保证过冷段的冷却效果，在空预器冷凝段的出口管道上设置疏水阀进行汽水分流，疏水阀可采用汽液两相流或倒吊桶式疏水阀。分离后的饱和水进入到过冷段中对一次风进行加热。在高压过冷段出口和低压冷凝段的出后设置疏水阀，将加热段出口的汽水混合物进行分流，分流后的饱和水接入除氧器中进行闪蒸降压并进行工质的回收。

1.3四段式蒸汽空气预热器

为充分利用蒸汽的余热，节省预热器加热所需抽汽量，更大限度地提升发电量。在三段式预热器地基础上衍生出四段式空预器。四段式空预器是在两段式空预器地基础上，在低压段和高压段分别设置一级过冷段。将高压段和低压段的凝结水引至冷凝段前，通过加热一次风，将冷凝水进一步过冷。沿空气流程分别为低压过冷段、高压过冷段、低压加热段与高压加热段，其中低压段的加热汽源为汽机抽汽，高压段的加热汽源为汽包抽汽[4]。

为有效解决常规汽液两相流或倒吊桶式疏水阀运行过程中频繁开关致使疏水阀故障率较大、疏水带汽的现象产生。在冷凝段和过冷段之间设置闪蒸罐。过冷段出口的汽水混合物进入到闪蒸罐，通过闪蒸罐实现汽水分离，分离后的饱和水通过管道接至冷凝段加热一次风并进行进一步冷却，饱和蒸汽通过汽平衡管接至加热蒸汽管道进口以进行蒸汽回收利用。同时为控制闪蒸罐内的压力与液位，在过冷段出口管道上设置调节阀。通过改变调节阀的开度，控制疏水量以及闪蒸罐的液位，避免蒸汽进入到过冷段中，从而导致疏水带汽而引起传热恶化、管道振动等问题。

1.4七段式蒸汽空气预热器

随着垃圾焚烧行业的发展，锅炉主蒸汽参数不断提升，从早期的中压参数（4.0MPa）不断发展为超高压参数（13.5MPa及以上）。汽包压力达到接近15MPa，汽包抽汽的比焓大大提高，潜热却降低了，用来加热燃烧空气所带来的经济性相对较低，因此需要对空预器的加热蒸汽系统进行优化。将空预器的抽汽汽源调整为汽机高压抽汽和中压抽汽，既能降低抽汽比焓，减少单位质量抽汽消耗的能量，又能通过增大相变换热的比例提高空预器换热面积的利用效率。

在四段式空预器的基础上升级为七段式空预器。空预器系统采用7个加热段对空气进行加热，汽源参数采用三种不同的热源品质，即低压蒸汽采用汽机三抽蒸汽，中压蒸汽采用汽机二抽蒸汽，高压蒸汽采用汽机一抽蒸汽。在高压、中压、低压冷凝段的出口分别设置过冷段，其中高压段的蒸汽参数相对较高，因此设置两级过冷段进行能量的梯级利用。通过设置过冷段将疏水温度过冷至100℃以下，进一步提高空预器系统的换热效率，降低空预器系统的蒸汽耗量。沿空气流程分别为低压过冷段、中压过冷段、高压过冷段2、低压冷凝段、中压冷凝段高压过冷段1与高压冷凝段。

与四段式空预器相同，在高压段、中压段、低压段的管线上均设置闪蒸罐进行汽水分离，并通过设置在各级过冷段出口的调节阀进行疏水量以及闪蒸罐液位的控制，以确保空预器的疏水的过冷度，保证疏水通畅稳定。

2空预器型式对全厂能效的影响

以垃圾处理量1×800t/d的焚烧厂为例，分析比较不同形式空预器对全厂能效的影响。该焚烧厂的设计入炉垃圾热值为7955kJ/kg，锅炉主蒸汽参数为13.5MPa（g）、450℃，配置1台25MW的凝汽式汽轮发电机。汽轮机的一级抽蒸汽参数为4.64MPa（a）、313℃，二级抽汽蒸汽参数为1.31MPa（a）、192℃，三级抽汽抽汽参数为0.67 MPa（a）、163℃。该焚烧厂一次风设计风量为80000Nm3/h，一次风设计最高加热风温为220℃。基于上述边界条件，分析了两段式、三段式、四段式及七段式的蒸汽空气预热器。

假定焚烧厂采用两段式蒸汽空气预热器，其抽汽加热汽源为汽轮机一级抽汽和二级抽汽。空预器的计算参数表如表1所示，空预器所需的汽机一抽的蒸汽量为4507kg/h，汽机二抽的蒸汽量为6417kg/h。

假定焚烧厂采用三段式蒸汽空气预热器，其抽汽加热汽源为汽轮机一级抽汽和二级抽汽。空预器的计算参数表如表2所示，空预器所需的汽机一抽的蒸汽量为4507kg/h，汽机二抽的蒸汽量为4706 kg/h。

假定焚烧厂采用四段式蒸汽空气预热器，其抽汽加热汽源为汽轮机一级抽汽和二级抽汽。空预器的计算参数表如表3所示，空预器所需的汽机一抽的蒸汽量为3943kg/h，汽机二抽的蒸汽量为4099kg/h。

假定焚烧厂采用七段式蒸汽空气预热器，其抽汽加热汽源为汽轮机一级抽汽和二级抽汽。空预器的计算参数表如表4所示，空预器所需的汽机一抽的蒸汽量为2558kg/h，汽机二抽的蒸汽量为2674kg/h，汽机三抽的蒸汽量为3546kg/h。

汽机排汽参数为0.0065MPa（a）、37.7℃，排汽的焓值为2248kJ/kg。通过空预器各级所需抽汽量与汽机排汽量的焓值差计算出抽汽所包含的热量，并折算出对应的发电量，数据如表5所示。以两段式空预器为对比基准，分析可知，增加空预器级数可有效减少汽机抽汽量，尤其是高品位蒸汽的耗量，并可以有效增加发电量。三段式、四段式及七段式空预器相对于两段式空预器，每小时发电量分别可增加93kWh、170kWh、202kWh。由于多级式空预器充分利用了低品位蒸汽，并降低了空预器的疏水温度，实现了能量的深度利用，从而有效提高了全厂能效。对比两段式空预器，采用三段式、四段式及七段式空预器，全厂能效的绝对值分别增加0.13%、0.23%、0.27%。通过采用多级式空预器，尤其是采用七段式空预器，全厂能效可提升约1%，有效增加焚烧厂的经济收益。

3实际运行效果

目前国内多个垃圾焚烧项目已采用四段式、七段式等多段式空预器，如三河某项目、汉川某项目、太原某项目等，多段式空预器系统运行稳定、疏水通畅。实际运行中，多个项目的疏水温度可有效降低至100℃以下，有效提高了全厂能效。

4结论

本文介绍了不同型式的空预器及其疏水结构，包括两段式、三段式、四段式及七段式，对比了不同疏水方式的优缺点，并基于某高参数项目（13.5MPa、450℃），分析不同空预器型式的空预器的耗汽量以及全厂能效，结论如下：

（1）通过设置过冷段，可有效降低空预器的疏水温度，在相同加热条件下，可有效减少空预器的耗汽量；

（2）采用多级式空预器，可有效降低高品质的蒸汽耗量，有效提升全厂能效，以七段式空预器为例，全厂能效可提升约1%；

（3）通过增加空预器的级数，可以有效利用低品质的蒸汽，实现能量的梯级利用；

（4）通过设置闪蒸罐实现汽液分离，并在疏水管路出口设置调节阀，从而实现疏水压力的控制，可有效解决传统机械式疏水阀存在的管道振动等问题。

参考文献

[1]汪明浩，黄宁.垃圾焚烧发电厂中空气预热器的设计[J].绿色科技，2015（1）：274-275.

[2]张俭，秦为军，孙广飞，蓝小波.生活垃圾焚烧发电项目蒸汽-空气预热器疏水系统设计分析[J].能源研究与利用， 2023（1）：50-54.

[3]刘正东，刘银聪.垃圾焚烧项目空预器疏水研究[J].华东科技：综合， 2020（1）：1.

[4]郭孝武.垃圾焚烧厂一次风预热系统设计优化及分析[J].环境卫生工程， 2020， 28（1）：5.

作者简历：杨杨（1992—），主要从事生活垃圾焚烧厂焚烧工艺设计。