三分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的詳細(xì)熱力計算方法

陳　歡，周克毅，黃軍林

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

三分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的詳細(xì)熱力計算方法

陳歡，周克毅，黃軍林

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

為提高鍋爐三分倉空預(yù)器的熱力計算精度，根據(jù)三分倉空氣預(yù)熱器的傳熱機(jī)理及溫度分布特點，結(jié)合各分倉之間的漏風(fēng)，建立三分倉微元體數(shù)學(xué)模型，得到各分倉的微分解析式，采用迭代計算的方法得到各分倉流體平均溫度及金屬蓄熱板的平均溫度。某1000 MW三分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器算例表明，該算法具有較高的計算精度，能夠考慮各分倉的漏風(fēng)影響，且可劃分?jǐn)?shù)量不等的計算區(qū)域進(jìn)行計算以滿足不同的工程需求，可以得到金屬蓄熱板的平均溫度分布，為低溫腐蝕和積灰提供溫度參考。

三分倉；微元模型；傳熱；對流；漏風(fēng)

三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是一種旋轉(zhuǎn)換熱的裝置，廣泛應(yīng)用于大型鍋爐。鍋爐的三分倉空氣預(yù)熱器與普通的二分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器相比，多出一個通道，它將空氣流通區(qū)域分成一次風(fēng)和二次風(fēng)兩個通道，滿足不同空氣出口壓力和溫度的要求。

三分倉空氣預(yù)熱器溫度分布的精度對火電節(jié)能及換熱元件腐蝕具有重要意義。目前，二分倉空氣預(yù)熱器的熱力計算方法相對比較成熟［1］，而三分倉空氣預(yù)熱器的熱力計算到目前為止并沒有完整成熟的方法。文獻(xiàn)［2］基于二分倉空氣預(yù)熱器熱力計算推廣到三分倉空氣預(yù)熱器熱力計算。文獻(xiàn)［3］利用數(shù)值方法研究了由偏微分方程得到的二維傳熱方程。文獻(xiàn)［4］建立復(fù)雜的微分方程利用數(shù)值方法對內(nèi)部的溫度場進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)［5］考慮金屬蓄熱板豎直切面平均溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的非線性特性得到出口空氣溫度的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)［6］以大量的試驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算直接得到煙氣－空氣傳熱系數(shù)的變化量簡化計算。文獻(xiàn)［7］基于文獻(xiàn)［5］中的方法推廣到了四分倉的計算。上述文獻(xiàn)介紹的方法存在一些不足，文獻(xiàn)［2，3］沒有考慮到蓄熱板平均溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的非線性特性；文獻(xiàn)［4，5］計算量大，不適用于工程應(yīng)用；文獻(xiàn)［5，7］雖然避免了上述不足，但是均需將一、二次風(fēng)合并處理，無法分別計算三分倉的一、二次風(fēng)區(qū)的漏風(fēng)。

文中在前期研究的基礎(chǔ)上［5］，考慮三個倉之間的漏風(fēng)差異，建立了三分倉微元體模型，同時考慮金屬蓄熱板豎直切面平均溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的非線性及流體溫度的非線性特性，對三分倉各個倉進(jìn)行計算，無需將一、二次風(fēng)合并處理，從而得到了三分倉空氣預(yù)熱器的詳細(xì)熱力計算方法，且可劃分?jǐn)?shù)量不等的計算區(qū)域進(jìn)行計算，以滿足不同的工程設(shè)計和分析需求。

1　數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，金屬受熱面依次經(jīng)過煙氣、二次風(fēng)、一次風(fēng)，高溫?zé)煔鈱饘偈軣崦婕訜幔饘僭偌訜崂淇諝??？梢岳梦⒃w建立微元方程，然后在適當(dāng)簡化的條件下得到三分倉空氣預(yù)熱器的計算模型。

圖1　三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳熱示意圖

1.1微元方程

根據(jù)空氣預(yù)熱器的工作原理、穩(wěn)態(tài)工況下的流體以及受熱面的能量平衡與傳熱關(guān)系可以建立空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子的微元方程。如圖2所示，微元體的半徑與空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子半徑相同，角度為dβ。

圖2　三分倉空預(yù)器微元體示意圖

在忽略金屬和流體軸向及切向?qū)岬臈l件下，流體放熱或吸熱的微元體方程表示為：

受熱面蓄熱或放熱的微元體方程表示為：

式中：cf為流體比熱容，kJ/（kg·℃）；pf為流體密度kJ/m；wf為流速，m/s；a為單位弧度流體通流截面積，m2/rad；β為通道所占角度，rad；tf為流體溫度，℃；l為受熱面高度，m；αf為流體與金屬的換熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；h為單位高度、單位弧度受熱面的換熱面積，m2/（rad·m）；tm為金屬受熱面溫度，℃；cm為金屬比熱容，kJ/（kg·℃）；mm為單位高度、單位弧度金屬質(zhì)量，kg/（m·rad）；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。由式（1）和式（2）可得到如下的微分方程：

1.2計算區(qū)劃分及漏風(fēng)

式（3）、（4）的準(zhǔn)確性與換熱系數(shù)、流體的物性參數(shù)、金屬的物性參數(shù)有密切的關(guān)系，均與溫度相關(guān)，即與三分倉空預(yù)器內(nèi)部溫度場有關(guān)。理論上當(dāng)空預(yù)器沿高度方向被分成的段數(shù)越多、沿圓周方向被分成的區(qū)域越多時，由式（3）和式（4）獲得的溫度場也更精確。但是，隨分成區(qū)段增加，其計算量也會增加?？紤]到空氣預(yù)熱器一般都分為熱段、冷段，兩者材料和板型均不同，為求解的簡便，這里可將空預(yù)器分成冷熱2段。整個空氣預(yù)熱器被分成6個區(qū)分別進(jìn)行計算，即熱段煙氣區(qū)、熱段二次風(fēng)區(qū)、熱段一次風(fēng)區(qū)、冷段煙氣區(qū)、冷段二次風(fēng)區(qū)以及冷段一次風(fēng)區(qū)。

在實際運行中，由于密封問題將不可避免造成各個區(qū)之間的漏風(fēng)，包括一次風(fēng)區(qū)向二次風(fēng)區(qū)漏風(fēng)、一次風(fēng)區(qū)向煙氣區(qū)的漏風(fēng)，以及二次風(fēng)區(qū)向煙氣區(qū)的漏風(fēng)。漏風(fēng)會對區(qū)域的傳熱和溫度分布造成影響，所以在計算各個區(qū)域時，要將各漏風(fēng)量加入對應(yīng)區(qū)域的流量中，并考慮漏風(fēng)溫度的不同，然后確定各區(qū)域的流量、流速、平均溫度、換熱系數(shù)等。按常規(guī)處理方法，本文也將各區(qū)域的進(jìn)口作為漏風(fēng)點［1］。

1.3各區(qū)模型

首先考慮漏風(fēng)影響對進(jìn)口焓值的改變：

式中：I0，I分別為考慮漏風(fēng)前后進(jìn)口溫度對應(yīng)的焓值；Δα1、Δα2為相鄰兩區(qū)對應(yīng)的漏風(fēng)系數(shù)，漏進(jìn)為正，漏出為負(fù)；I1，I2為相鄰兩區(qū)對應(yīng)的平均焓值。

然后由新的焓值求出新的進(jìn)口溫度，再用差分替代式（3）中的微分，并用考慮漏風(fēng)影響后各區(qū)流體進(jìn)出口的平均溫度作為流體傳熱溫度，可得各區(qū)傳熱和蓄熱關(guān)系式：

式中：下標(biāo)n=1，2，表示沿流體方向?qū)⒖疹A(yù)器分成2段，靠近進(jìn)口段n為1，靠近出口段n為2；下標(biāo)j=1，2，3，分別表示煙氣區(qū)、二次風(fēng)區(qū)、一次風(fēng)區(qū)；αfj，n，cfj，n，ρfj，n，aj，n為第 j區(qū)第n段考慮漏風(fēng)后的參數(shù)；Hj，n為第j區(qū)第n段的換熱面積；tj，n-1，tj，n為第j區(qū)第n段流體考慮漏風(fēng)后的進(jìn)口平均溫度和出口平均溫度，℃；tmj，n為第j區(qū)第n段的金屬受熱面豎直切面的平均溫度，℃；Mj，n為第 j區(qū)第 n段金屬轉(zhuǎn)子總的質(zhì)量，kg。Wfj，n為第j區(qū)第n段在（α+Δα1+Δα2）過量空氣系數(shù)下求得的流速，其中α為該區(qū)域的過量空氣系數(shù)，m/s。

由于漏風(fēng)影響導(dǎo)致質(zhì)量流量變化，流速將會改變，流速的計算為：

式中：Bca1為計算燃料消耗量，kg/s；V為（α+Δα1+Δα2）過量空氣系數(shù)下的體積，m3/kg；t為考慮漏風(fēng)后區(qū)域的平均溫度，℃；F為通流截面積，m2。記：

代入式（6）、（7）得各個分區(qū)所滿足的關(guān)系式：

由式（10）可得到：

將式（13）代入式（11），可得到：

將式（14）積分得到弧度為β處的流體出口溫度：

式中：Rj，n=-2Bj，n/（Aj，n+2）；Cj，n為常數(shù)。

將式（15）代入式（12）得到金屬蓄熱板過轉(zhuǎn)子圓心的豎直切面平均溫度：

由式（15）積分，可得各個分倉流體的平均出口溫度為：

式中：βj為第j區(qū)在空氣預(yù)熱器中所占的弧度，rad。

若已知流體進(jìn)口平均溫度和出口平均溫度，可將已知條件代入式（17）求解積分方程式得到常數(shù)，從而由式（16）求得金屬蓄熱板豎直切面進(jìn)口平均溫度：

和出口平均溫度：

1.4求解的唯一性

整個空氣預(yù)熱器共分成6個區(qū)，每個區(qū)都有3個方程，即式（14）、（15）和（16），共有18個方程。另外每個相鄰區(qū)金屬蓄熱板溫度相等，增加6個方程。這樣整個空氣預(yù)熱器合計有24個方程。每個區(qū)都有4個未知數(shù)，即tˉj，n，Cj，n，tmj，n（0）和tmj，n（βj），共有24個未知數(shù)，與24個方程相對應(yīng)，可解得唯一解。

2　計算

2.1計算步驟

根據(jù)文中計算模型，可分別對冷熱段各個倉進(jìn)行計算，由式（17）、（18）和（19）迭代求解出各個區(qū)流體的出口平均溫度。每段的計算流程如圖3所示，其總體計算步驟為：

（1）已知熱段煙氣進(jìn)口平均溫度、冷段一次風(fēng)及二次風(fēng)進(jìn)口平均溫度，假定熱段、冷段煙氣出口平均溫度，熱段、冷段二次風(fēng)出口平均溫度，熱段、冷段一次風(fēng)出口平均溫度，考慮漏風(fēng)影響得到新的進(jìn)口溫度、流速等參數(shù)，由式（17）得到常數(shù)C1，1，C1，2，最后由式（15）和式（18）得到熱段、冷段煙氣區(qū)金屬蓄熱板的

（2）按照煙氣區(qū)求解的方法，得出二次風(fēng)區(qū)金屬蓄熱板的進(jìn)出口平均溫度

（3）按照煙氣區(qū)求解的方法，得出一次風(fēng)區(qū)金屬蓄熱板的進(jìn)出口平均溫度

（4）最后將冷熱段的金屬蓄熱板進(jìn)出口平均溫度進(jìn)行比較，若滿足：ε，則迭代結(jié)束，否則重新假定，轉(zhuǎn)（1）。

2.2參數(shù)選取

（1）考慮漏風(fēng)時，一次風(fēng)區(qū)向煙氣區(qū)和二次風(fēng)區(qū)的漏風(fēng)、二次風(fēng)區(qū)向煙氣區(qū)的漏風(fēng)取設(shè)計值。在計算漏風(fēng)影響時，先考慮漏風(fēng)對進(jìn)口流體溫度、流量的影響，再按照模型計算流體出口溫度及金屬蓄熱板溫度。

圖3　每段的計算流程

（2）考慮到煙氣側(cè)及空氣側(cè)的散熱，文獻(xiàn)采用與計算標(biāo)準(zhǔn)一致的方法，計算A1，n時，在其分母上乘以保溫系數(shù)，即

（3）考慮到受熱面污染、未完全沖刷等因素的影響，在計算換熱系數(shù)αfj，n時，考慮熱利用系數(shù)的影響。

（4）在計算Aj，n，Bj，n時，涉及到計算各參數(shù)，有些參數(shù)的計算在標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及。因為煙氣是由各種氣體混合而成，所以煙氣的部分參數(shù)計算如下：

式中：hy為平均煙焓，kJ/kg；L0為完全燃燒1 kg燃料理論上需要的空氣質(zhì)量，kg。

式中：Gy為1 kg燃料煙氣質(zhì)量，kg/kg；Bj為計算燃料消耗量，kg/s?？諝獾牟糠謪?shù)如下：

其余參數(shù)可參考文獻(xiàn)［8］計算獲得。

3　計算結(jié)果及分析

文獻(xiàn)［8］詳細(xì)介紹了三分倉空氣預(yù)熱器的熱力計算，其結(jié)果具有較好的參考性，而文獻(xiàn)［5］在文獻(xiàn)［8］的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)，所得的結(jié)果更加精確。為驗證文獻(xiàn)改進(jìn)方法的可行性及計算結(jié)果的合理性，分別按照文獻(xiàn)［8］、文獻(xiàn)［5］和文中提出的方法，編制了三分倉熱力計算程序。

算例為某1000 MW超超臨界鍋爐2臺對稱分布的三分倉空氣預(yù)熱器，其計算所需原始數(shù)據(jù)及3種方法的計算結(jié)果分別列于表1和表2。

表1　某1000 MW超超臨界三分倉空氣預(yù)熱器原始數(shù)據(jù)

表2　算例計算結(jié)果　℃

3.1計算結(jié)果分析

由表2的計算結(jié)果及計算模型，可知文中詳細(xì)熱力計算方法有以下特點。

（1）具有較高計算精度。文中熱力計算方法中排煙溫度、一次風(fēng)溫度和二次風(fēng)溫度與設(shè)計值的差值分別為0.4℃、4℃和1.5℃，均小于文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［8］。因為文中方法不但考慮了金屬蓄熱板豎直切面平均溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的非線性及流體溫度的非線性特性，而且分別考慮各個漏風(fēng)的影響，并且不涉及二分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的計算方法，故文中計算方法更為合理。

（2）可以對空預(yù)器進(jìn)行更加詳細(xì)的劃分，以滿足不同的分析及設(shè)計要求。表2中可以看到：將空預(yù)器沿高度分成冷熱兩段共6個區(qū)域或?qū)⒗錈醿啥卧俜謨啥蔚玫剿亩喂?2個區(qū)域的結(jié)果差值比較小，但分成四段后可得到更多的金屬和空氣溫度，可以根據(jù)需求劃分區(qū)域得到空氣預(yù)熱器不同位置的溫度分布。

3.2空氣溫度變化和金屬溫度分布

根據(jù)式（16）可以得到出口空氣溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的變化，將文中國得到的曲線與文獻(xiàn)［5］進(jìn)行比較。由圖4可見：文獻(xiàn)［5］一、二次風(fēng)區(qū)的曲線斜率基本一致，即認(rèn)為空氣出口溫度在一次風(fēng)區(qū)、二次風(fēng)區(qū)變化快慢一致。而文中計算方法所獲得的曲線在二次風(fēng)區(qū)變化快，一次風(fēng)區(qū)變化較慢。因為金屬蓄熱板經(jīng)過煙氣區(qū)加熱后依次經(jīng)過二次風(fēng)區(qū)、一次風(fēng)區(qū)冷卻，其在二次風(fēng)區(qū)的溫度較一次風(fēng)區(qū)要高，二次風(fēng)區(qū)的傳熱溫差大，且二次風(fēng)區(qū)的換熱系數(shù)大于一次風(fēng)區(qū)，所以二次風(fēng)區(qū)換熱更強(qiáng)烈，二次風(fēng)區(qū)空氣出口溫度變化應(yīng)該比一次風(fēng)區(qū)要快，故文中方法的計算結(jié)果更合理。

圖4　出口空氣溫度分布

在計算煙氣、空氣出口溫度的同時，還能得到金屬蓄熱板豎直切面平均溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的溫度分布，圖5為算例金屬蓄熱板豎直切面平均溫度隨旋轉(zhuǎn)方向的變化。圖中是以煙氣區(qū)金屬蓄熱板進(jìn)口為起點，溫度曲線上升、水平、下降所對應(yīng)β的范圍分別為煙氣區(qū)、密封區(qū)、空氣區(qū)。在煙氣、空氣區(qū)內(nèi)，溫度變化接近線性特性。圖中實線代表冷段金屬蓄熱板豎直切面的平均溫度，為判斷受熱面低溫腐蝕和積灰提供了理論依據(jù)。若想獲得更準(zhǔn)確的溫度分布，還可以對低溫段進(jìn)行更詳細(xì)的劃分。

圖5　金屬蓄熱板豎直切面平均溫度分布

4　結(jié)束語

對三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器微元體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)，得到了一種詳細(xì)的熱力計算方法，該方法根據(jù)推導(dǎo)的各分倉微分解析式，采用迭代計算的方法得到各分倉出口流體平均溫度及金屬蓄熱板的平均溫度。與以前介紹的熱力計算方法比較，文中的熱力計算方法精度較高，考慮了各分倉的漏風(fēng)影響，同時能得到金屬蓄熱板豎直切面平均溫度的分布。實際應(yīng)用中，還可以劃分更多計算區(qū)，得到沿?zé)煔饬鲃臃较蛏喜煌恢锰幍慕饘俸土黧w溫度，以滿足不同的分析或設(shè)計要求。

［1］北京鍋爐廠譯.鍋爐熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976：86-88.

［2］周俊虎，楊衛(wèi)娟，靳彥濤，等.三分倉空氣預(yù)熱器熱力計算的研究［J］.動力工程，2003，23（6）：2810-2813.

［3］冷 偉，王 渡.一種改進(jìn)的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器熱力計算方法［J］.動力工程，2005，25（3）：392-395.

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［8］周強(qiáng)泰，周克毅，冷 偉，等.鍋爐原理［M］.2版.北京：中國電力出版社，2009：201-204.

A Detailed Thermal Calculation Method For Tri-sectional Rotary Air Preheaters

CHEN Huan，ZHOU Keyi，HUANG Junlin
（School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

To improve the accuracy of thermal calculation for tri-sectional rotary air heaters，a differential element model has been set up based on the heat transfer principle of rotary air heaters and the characteristics of temperature distribution，considering the influence of air leakage.And then the analytical expressions of each sector have been obtained.At last，the fluid temperature and the mean temperature on vertical section of metallic heat accumulation plate can be calculated by means of iteration based on the analytical expressions of each sector.When 1000 MW tri-sectional regenerator is selected as computational object，the results indicate that the new method has high precision，and the calculation area can be divided as require to meet different demands of project.Also，this method can obtain the mean temperature field of the vertical section of metallic heat accumulation plate，which could provide temperature reference for analyzing low-temperature corrosion and ash deposition.

tri-sectional air preheater；differential element model；heat transfer；convection；leakage

TK222

A

1009-0665（2015）03-0010-04

2015-02-12；

2015-03-18

國家自然科學(xué)基金項目（51176031）

陳歡（1989），男，江蘇無錫人，碩士研究生，從事電站鍋爐特性方面研究；

周克毅（1955），男，江蘇泰州人，博士生導(dǎo)師，從事電站鍋爐方面研究；

黃軍林（1986），男，山東濰坊人，博士研究生，從事電站鍋爐方面研究。