漏风分配对回转式空气预热器热力性能的影响

白德龙， 张劲松， 解冠宇， 邢景伟

(京能集团内蒙古岱海发电有限责任公司， 内蒙古乌兰察布 013700)

目前，大型火电机组大多数采用三分仓回转式空气预热器，它具有体积小、结构紧凑等优点[1]，通过对高压一次风和低压二次风进行独立调控，可提高锅炉运行经济性.

针对回转式空气预热器的热力计算，研究者广泛采用《锅炉机组热力计算标准方法》[2]中的计算方法，但该计算方法针对的是二分仓回转式空气预热器.与二分仓相比，三分仓回转式空气预热器不仅在结构上将空气仓分为了一、二次风仓,还采用冷、热端蓄热元件分段设计，既保证了空气预热器高效的换热性能，同时也减轻了低温腐蚀以及堵灰的影响，只是此设计结构却对回转式空气预热器的机理建模带来很大困难.

在空气预热器热力计算方面，刘福国等[3]采用考虑轴向导热的二维偏微分方程描述三分仓回转式空气预热器的热量传递，该方程与泄漏模型的多维非线性方程构成泄漏和传热耦合模型，将理论计算值与实际测量数据进行对比，模型计算精度较高.郑凯等[4]通过建立三分仓微元体模型，提出将一、二次风按照两分仓方法进行计算的改进算法，得到空气出口温度的微分解析式.王晶晶等[5]在热风总量不变的情况下，计算并比较了不同轴向漏风分布时的热风温度及排烟温度，但未考虑空气预热器的主要漏风(即径向漏风)不同分布的影响.王艳红等[6]基于能量平衡原理推导出不同部位漏风率变化对排烟温度影响的计算表达式，得到2个不同工况下空气预热器热端、冷端漏风率变化对排烟温度的影响，但未考虑漏风对换热过程的影响.

通过对回转式空气预热器进行理论分析，建立了三分仓回转式空气预热器的传热模型，根据结构参数和设计参数对模型进行验证分析.在漏风变化时计算并分析不同的漏风分配(采用热端漏风占比系数代表漏风分配)对空气预热器排烟温度及热风温度的影响.

1 回转式空气预热器特性分析

1.1 机理分析

回转式空气预热器为蓄热式换热器，其换热过程是一种非稳态的逆流换热过程.工质通过空气预热器转子波形板的间隙时与金属元件表面进行对流换热，金属元件以蓄热方式将烟气释放的热量传递给空气，烟气、空气及金属元件的温度均为时间的函数,且呈周期性变化.当转子蓄热元件处于烟气区时，蓄热元件吸收高温烟气的热量，随着转子转动，蓄热元件的壁温越来越高，且在离开烟气区时，壁温达到最高值；当转子进入一次风区时，具有较高温度的蓄热元件与冷空气接触并释放出热量，壁温随着转子的转动越来越低，转子转入二次风区，蓄热元件继续释放热量，且在离开二次风区时，金属元件壁温达到最低值.三分仓回转式空气预热器示意图如图1所示.

1.2 模型的假设条件

回转式空气预热器工作过程为金属元件的机械转动及金属元件与工质之间的非稳态逆流换热.若直接按实际物理过程进行机理建模及求解十分困难，因此采用控制容积法，将蓄热元件分为若干微元体，微元体简化图如图2所示，并进行以下假设：(1) 认为空气预热器烟气及一、二次风的进口参数在横截面上均匀分布;(2) 流体与蓄热元件之间主要为对流换热，忽略流体自身的导热过程;(3) 忽略蓄热元件的径向导热及轴向导热，且认为沿厚度方向不存在温度梯度;(4) 认为空气预热器漏风均匀分布在转子进出口，且不随时间变化;(5) 忽略压力对转子内换热的影响，认为压力在蓄热元件中均匀分布.

图1 三分仓回转式空气预热器示意图

图2 回转式空气预热器微元体

1.3 回转式空气预热器的数学模型

流体工质微分方程为：

(1)

受热面能量微分方程为：

(2)

式中：ρf、cf、wf和tf分别为流体密度、比热容、流速和温度，kg/m3、kJ/(kg·K)、m/s、℃；ce、me和te分别为单位角度θ、单位高度z的蓄热元件的比热容、质量和壁温，kJ/(kg·K)、kg、℃；a为单位角度θ的流体流通面积，m2；k为流体与元件之间的传热系数，kW/(m2·K)；A为单位角度θ、单位高度z的蓄热元件的换热面积，m2；n为转子转速，r/min.

采用数值求解方法，对式(1)和式(2)分别作向前一阶差分代替偏导数，从而可得到回转式空气预热器离散化差分方程组(分为烟气周期、一次风周期和二次风周期)：

烟气周期：

ty(ε，η+Δz)=ty(ε，η)-[ty(ε，η)-

(3)

te(ε+Δθ，η)=te(ε，η)+[ty(ε，η)-

(4)

一次风(二次风)周期：

tk(ε，η-Δz)=tk(ε，η)+[te(ε，η)-

(5)

te(ε+Δθ，η)=te(ε，η)-[te(ε，η)-

(6)

式中：ty、tk分别为烟气和空气的温度，℃；ε，η分别为蓄热元件微元体在划分空间沿圆周方向、沿高度方向的位置.

2 数学模型的迭代计算

根据回转式空气预热器的已知参数(烟气和一、二次风的进口参数及本体结构参数)，通过式(3)～式(6)以及其他相关辅助方程求得空气预热器工质侧出口参数及蓄热面的壁温分布.为了保证计算精度，沿空气预热器高度方向分冷、热端进行计算.空气预热器数学模型的具体计算流程如图3所示.

图3 空气预热器迭代计算流程

3 实际对象参数验证及特性分析

3.1 空气预热器数学模型参数

以某厂600 MW亚临界机组回转式空气预热器为研究对象，其主要结构参数及运行参数见表1.

表1 空气预热器主要参数

3.2 THA工况下空气预热器温度分布

3.2.1 空气预热器进出口工质温度分布

图4给出了空气预热器进出口工质温度分布.由图4可知，空气预热器烟气及一、二次风的进口温度均沿转子旋转方向均匀分布，而出口温度基本沿转子旋转方向线性变化，这是由于空气预热器的蓄热元件在烟气仓内受烟气加热的影响，其壁温随着转子旋转不断升高，烟气与蓄热元件之间的温差减小，换热量减少，因此烟气出口温度沿转子旋转方向基本呈线性升高；蓄热元件在一、二次风仓内受空气冷却的影响,温度不断下降，一次风与蓄热元件之间的换热量减少，因此烟气出口温度沿转子旋转方向基本呈线性降低特性.

图4 空气预热器进出口工质温度分布

Fig.4 Temperature distribution in the working medium at entrance and exit of the air heater

在实际运行中，由于积灰和腐蚀等因素造成空气预热器换热能力达不到设计状态.选取该机组在570～600 MW范围的某时间段运行数据(见表2)，将空气预热器进口运行参数作为空气预热器模型的输入，求得空气预热器烟气出口温度及一、二次风出口温度的模型值，并与测量值进行比较，结果如图5和图6所示.

3.2.2 空气预热器蓄热元件壁温沿圆周旋转方向的分布

图7给出了空气预热器蓄热元件壁温沿圆周旋转方向的分布.由图7可知，蓄热元件壁温沿转子圆周旋转方向呈周期性变化，当转子刚转进烟气区时，经过一、二次风充分冷却的蓄热元件壁温达到最低，与热烟气之间的温差达到最大，随着转子在烟气区旋转，蓄热元件的温度逐渐提高.当转子从烟气区进入一次风区时，蓄热元件壁温达到最高值，与冷空气充分换热，随后转子旋转，蓄热元件壁温逐渐降低，从而加热空气的能力下降.

图5 实际运行工况下空气预热器烟气出口温度

Fig.5 Exhaust gas temperature of the air heater under actual operation conditions

图6 实际运行工况下空气预热器一、二次风出口温度

Fig.6 Outlet primary/secondary air temperature of the air heater under actual operation conditions

表2 空气预热器进口运行数据

图7 空气预热器蓄热元件壁温沿圆周方向的分布

Fig.7 Temperature distribution in the heat-retaining element along circumferential direction of the air heater

3.2.3 空气预热器蓄热元件壁温沿转子高度方向的分布

图8给出了不同角度烟气仓内微元体蓄热元件壁温沿转子高度方向的分布.由分析可知，当蓄热元件处于烟气区时，随着高温烟气不断加热蓄热元件，沿着其流向烟气温度逐渐降低，与蓄热元件之间的换热量逐渐减少，同一角度的蓄热元件壁温沿着烟气流动方向呈由高到低的分布规律.

图8 空气预热器蓄热元件壁温沿转子高度方向的分布

Fig.8 Temperature distribution in the heat-retaining element along height direction of the air heater

热端与冷端的交接面处，不同角度的蓄热元件壁温呈现不同程度的骤变，这种骤变体现出冷、热端不同的蓄热元件材质及板型对对流换热的影响.热端D型蓄热元件具有较强的换热能力，而冷端“大通道、直波纹”L型蓄热元件为了减少堵塞、提高耐腐蚀性而减弱了换热性能，与工质之间的换热量也减少.当蓄热元件处于一、二次风区时，冷端换热能力由于较热端低，因此蓄热元件壁温会呈现比热端高的现象，当蓄热元件转至烟气区后，在高温烟气的加热下这种现象逐渐被扭转.

3.3 不同一、二次风进口温度工况下空气预热器温度分布

当空气预热器一、二次风进口温度发生变化时，烟气出口温度(未修正)、蓄热元件壁温及一、二次风出口温度均产生了不同程度的变化，其结果见表3和图9.

首先激励通常是由上至下实施的。如果基层管理者普遍能力、素质较弱，那么在激励的实施过程中就会存在着以偏概全。在酒店里，基层管理者多为主管或者领班，其本身能力素质修养偏低，会存在着瞎指挥，对员工呼来喝去的情况，许多知识型员工自身素质高，能力强，却要在能力不如自己的人手下做事，长期积累下来，就会引起酒店知识型员工的不满，甚至是较大范围的抵触。其次，基层管理者缺乏系统培训和理论知识有限，所采用的激励手段不高。因此被激励的对象就会感觉激励无效或者起到反效果。

表3不同一、二次风进口温度条件下空气预热器主要参数

Tab.3Keyparametersoftheairheateratdifferentinletprimary/secondaryairtemperatures

参数THA工况工况1工况2进口烟气质量流量/(kg·s-1)325.1025325.1025325.1025进口一次风质量流量/(kg·s-1)62.20562.20562.205进口二次风质量流量/(kg·s-1)220.065220.065220.065烟气进口温度/℃357357357一次风进口温度/℃181838二次风进口温度/℃231333烟气出口温度(未修正)/℃129.5122.3135.8一次风出口温度/℃331.0329.2331.1二次风出口温度/℃312.0310.7313.8漏风率/%4.824.824.82

对THA工况和工况1的数据进行比较可知，当一、二次风进口温度降低时，烟气出口温度也出现了一定程度的下降，这是由于一、二次风进口温度的降低会导致与位于一、二次风区的冷端蓄热元件之间的温差变大，使得蓄热元件进一步冷却，进而进入烟气区的蓄热元件壁温降低，最终导致烟气出口温度(未修正)下降.而对于处于热端的蓄热元件，由于烟气进口温度不变，一、二次风进口温度的影响会随着空气流动方向逐渐被削弱，最终一、二次风出口温度及对应的蓄热元件壁温变化不大.

图9 不同一、二次风进口温度条件下空气预热器蓄热元件壁温分布

Fig.9 Temperature distribution in the heat-retaining element at different inlet primary/secondary air temperatures

对于工况2，与THA工况的数据进行比较，空气预热器烟气出口温度(未修正)及蓄热元件壁温变化与工况1恰好相反，一、二次风出口温度也变化不大.

3.4 不同漏风分配下空气预热器温度分布

当一次风向烟气侧泄漏量增加导致漏风率增大时，空气预热器冷热端不同比例漏风分配对空气预热器排烟温度(漏风修正后)及一、二次风出口温度具有不同影响.

由表4可知，当漏风率增大时，冷端烟气出口温度(未修正)及一、二次风出口温度均不同程度地升高，这是由于一次风质量流量减少，而烟气质量流量增大，与蓄热元件之间的换热量变化程度小于质量流量的变化，从而导致烟气温降较小，而一、二次风的温升增大.

图10给出了在THA工况和工况3下空气预热器蓄热元件随转子圆周旋转方向的壁温分布.由图10可知，当漏风率增大时，蓄热元件的壁温均有一定程度的升高.对于烟气区，蓄热元件与高温烟气之间的温差减小，对流换热量减少，因而导致空气预热器烟气出口温度(未修正)升高，锅炉效率下降，不利于机组经济性运行；对于一、二次风区，蓄热元件壁温的提高会增大与空气之间的温差，从而在一定程度上提高空气预热器一、二次风出口温度，但风温的升高是由于一次风漏风质量流量增大、出口一次风质量流量减小导致的，实际运行中，为了保证磨煤机所需的一次风质量流量，会增大一次风机的出力，进而导致厂用电量增大，机组效率下降.

图10 不同漏风率下空气预热器蓄热元件壁温分布

Fig.10 Temperature distribution in the heat-retaining element at different air leakage rates

当漏风率增大时，对于不同的漏风分配(采用热端漏风占比表示漏风分配)，排烟温度及一、二次风出口温度产生了不同程度的变化，结果如图11和图12所示.

图11 不同热端漏风占比下空气预热器排烟温度

Fig.11 Exhaust gas temperature of the air heater at different proportions of air leakage at hot end

图12 不同热端漏风占比下空气预热器一、二次风出口温度

Fig.12 Outlet primary/secondary air temperature of the air heater at different proportions of air leakage at hot end

由图11可知，当热端漏风占比较小(即冷端漏风占主导)时，冷一次风直接与刚经过换热的出口烟气混合，造成漏风修正后的排烟温度下降，但由于进行换热的一次风质量流量减少，造成空气预热器换热能力下降，导致烟气出口温度(未修正)升高；当热端漏风占比较大(即热端漏风占主导)时，经过加热的一次风泄漏到烟气侧，造成烟气质量流量增大，从而导致烟气温降减小，最终造成排烟温度升高.综合冷热端漏风对排烟温度的影响可知，热端漏风对排烟温度的影响大于冷端漏风对排烟温度的影响，且这种影响会随着热端漏风占比的增大而增大.

由图12可知，随着热端漏风占比的增大，空气预热器一、二次风出口温度在一定程度上呈下降趋势.这是由于冷端漏风会使部分一次风未经换热直接泄漏到烟气侧，造成换热的一次风质量流量下降，而热端漏风是经过换热后的一次风泄漏到烟气侧的，不影响进行换热的一次风质量流量.另外，热端漏风占比增大，会导致烟气进口温度在一定程度上呈下降趋势.综合以上因素，空气预热器一、二次风出口温度会随着热端漏风占比的增大在一定程度上呈下降趋势.

表4 不同热端漏风占比下空气预热器主要参数

在实际热态运行中，空气预热器呈“蘑菇状”热变形，空气预热器热端的径向间隙增大，热端漏风占比远高于冷端漏风占比.因此，漏风率增大对排烟温度的综合影响导致排烟温度呈升高趋势.

4 结 论

(1) 空气预热器一、二次风进口温度的改变会影响烟气出口温度和蓄热元件温度的变化，可作为一种调节手段用于调控空气预热器的性能.

(2) 漏风率增大会导致排烟损失增大，并会造成风机出力增大，进而导致厂用电增大，不利于经济性运行.

(3) 当漏风率增大时，不同的漏风分配系数对空气预热器排烟温度和一、二次风出口温度具有不同影响.随着热端漏风占比增大，空气预热器排烟温度呈上升趋势，一、二次风出口温度呈下降趋势.

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