回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器溫度場自校正計(jì)算方法

袁海旭

內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 026000

目前，大多數(shù)電廠鍋爐中使用的是常見的管式空氣預(yù)熱器，這種預(yù)熱器的應(yīng)用優(yōu)勢在于能夠借助熱量導(dǎo)管將熱量持續(xù)不斷的輸送到空氣中，實(shí)際上，這是一種間接的預(yù)熱方式，還有一種回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，在電廠鍋爐中對(duì)于應(yīng)用也比較普遍。這類預(yù)熱器主要的熱量傳輸方式與第一種大不一樣，屬于再生傳熱，通過讓煙氣和空氣在受熱面上進(jìn)行交替，這樣就能讓煙氣中的熱量傳輸?shù)绞軣崦嫔?，使得受熱面的溫度上升，并?duì)于熱量不斷進(jìn)行儲(chǔ)蓄。最后在空氣流經(jīng)受熱面的情況下，向空氣傳輸熱量，使空氣溫度上升。相對(duì)于管式空氣預(yù)熱器，這種預(yù)熱器的優(yōu)勢在于直接傳熱，效率較高，而缺點(diǎn)則是漏風(fēng)嚴(yán)重，嚴(yán)重漏風(fēng)的情況下，會(huì)造成20%以上的漏風(fēng)量，影響傳熱效率的提升?；剞D(zhuǎn)式預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)也比較繁復(fù)，對(duì)于具體的生產(chǎn)制造技術(shù)要求比較嚴(yán)格，在具體的使用中，一旦出現(xiàn)問題，維修起來也十分不便，其熱自動(dòng)控制效能往往也不好，這樣就導(dǎo)致預(yù)熱器入口風(fēng)壓下降，煙氣排放溫度低，鍋爐的熱工作效率不理想，且使用中會(huì)出現(xiàn)更多燃煤損耗，導(dǎo)致鍋爐的額定負(fù)荷難以達(dá)到。

1 三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳熱模型

為了有效研究回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器溫度場自校正計(jì)算能力提升，促進(jìn)空氣預(yù)熱器在溫度場控制中發(fā)揮有效作用，以300MW三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為研究對(duì)象，構(gòu)建微元法模型，借助模型在線辨識(shí)參數(shù)，促進(jìn)模型自適應(yīng)空預(yù)器性能變化。模型中輸出的溫度場能夠有效的對(duì)于空氣預(yù)熱器的具體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，對(duì)于提升電廠安全生產(chǎn)管理效益具有重要作用。

1.1 傳熱原理

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器對(duì)于提升電廠的鍋爐工作效率具有積極作用，這一空氣預(yù)熱器能夠借助鍋爐尾煙氣對(duì)于一次、二次風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，是鍋爐尾部關(guān)鍵的受熱面，下圖1為三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器圖示：

圖 三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)圖

一般來說，在具體的設(shè)計(jì)中，這類回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器會(huì)被等分成24、36或是48個(gè)扇形倉，每一個(gè)分層都是幾個(gè)扇形倉構(gòu)成的，而在這些扇形艙中，匯集著眾多由金屬板材制作的傳熱元件，這些傳熱元件的傳熱性能較好，將這些傳熱元件按照煙氣流動(dòng)順序可以分成高溫、中溫和低溫段。對(duì)于煙氣的一二次風(fēng)進(jìn)行逆向?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)，當(dāng)煙氣達(dá)到空氣預(yù)熱器的情況下，對(duì)于傳熱元件快速加熱，待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向空氣后端，對(duì)于傳熱元件中的熱量傳輸?shù)娇諝庵?，在轉(zhuǎn)子的帶動(dòng)下，加熱的空氣流向另一側(cè)，未加熱的空氣持續(xù)替換加熱，實(shí)現(xiàn)整體空氣的加熱升溫效果。

1.2 傳熱方程

設(shè)計(jì)該空氣預(yù)熱器的傳熱方程中，先不計(jì)流體比熱容，考慮到傳熱微元尺寸很小，因此認(rèn)為流體流向相同，對(duì)于系統(tǒng)漏風(fēng)以及換熱影響也忽略不計(jì)，也不管輻射換熱情況如何，假設(shè)轉(zhuǎn)子徑向?qū)崧薀o窮大，而周向熱導(dǎo)率無窮小，后者更多的是個(gè)自身溫度相關(guān)的。對(duì)于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器實(shí)施微元分割，使軸向作為等分線，保證各個(gè)分倉平均分割，構(gòu)成一個(gè)個(gè)微元。

考慮到傳熱微元會(huì)遭到煙氣的沖刷，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)出現(xiàn)煙氣對(duì)流放熱現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)上下微元傳熱實(shí)現(xiàn)，在這一過程中，流體流經(jīng)傳熱微元放熱量和傳熱微元金屬壁吸熱量相等。

其中，F(xiàn) 為氣體體積流量，Pair 為流體密度，cp 為流體比熱容，tin ,tout 分別為流體進(jìn)口及出口溫度，α為氣體對(duì)流換熱系數(shù)，S為對(duì)流換熱面積，Tij 為 i行 j 列的金屬壁溫度。

1.3 參數(shù)校正

在系統(tǒng)進(jìn)行初次運(yùn)行后，使用單純形最優(yōu)化算法對(duì)氣體對(duì)流放熱系數(shù)修正因子K1和金屬攜帶熱量增量修正因子K2進(jìn)行辨別，具體的目標(biāo)函數(shù)為：

其中，N 為煙氣分倉數(shù)目，tout 為各分倉氣體出口溫度實(shí)測值，tout 為算法計(jì)算值。當(dāng)流體仿真出口溫度與實(shí)際值偏差超過預(yù)定值時(shí)，對(duì) k1 和 k2 重新認(rèn)識(shí)，這樣就能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)效果，真正發(fā)揮自校正功能作用，還能有效將系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變影響全部消除。此時(shí)，如果設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，依然可以對(duì)于相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行有效監(jiān)督。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)模型的有效性，筆者從DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中選取了兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。針對(duì)第一列選取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可得出空氣對(duì)流換熱系統(tǒng)修正因子以及金屬轉(zhuǎn)動(dòng)攜帶的熱量增量修正因子。而針對(duì)第二列數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得出，各個(gè)分倉出口溫度和算法輸出溫度對(duì)比。

表1 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及算法輸出結(jié)果

由表可以看出，在煙氣倉出口的不同位置上的不同溫度監(jiān)測點(diǎn)上，仿真平均出口溫度與測點(diǎn)平均值溫度之差均在 5 ℃范圍內(nèi)，這一點(diǎn)完全符合精度計(jì)算的要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，能夠判斷出流體溫度場在相關(guān)邊界位置的具體變化程度，這一變化情況和實(shí)際情況比較接近。

借助這種回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器溫度場自校正計(jì)算方法應(yīng)用，能夠有效改善系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督模式，能夠?qū)τ谙到y(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施有效的監(jiān)督，對(duì)于空氣預(yù)熱器的運(yùn)行狀況進(jìn)行把握，及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器的故障問題，做好防范措施，切實(shí)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行效率，保證電廠的安全電力生產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。此外，預(yù)熱器性能的關(guān)鍵問題是：振動(dòng)噪聲漏風(fēng)、腐蝕和堵灰，除了要做好相應(yīng)的在線監(jiān)測工作外，還需要針對(duì)管式空氣預(yù)熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)制作中，能夠確?？茖W(xué)的進(jìn)行空氣流速控制，合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的尺寸大小，還可以考慮通過安裝防震隔板的方式，避免出現(xiàn)空腔共振的現(xiàn)象，以免影響整體的校正效果。此外，安裝這一裝置后還能夠有效減低噪音影響。此外，還要考慮到回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)問題是急需要解決的問題之一，必須要做到對(duì)于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝整個(gè)流程的優(yōu)化。

3 總結(jié)

研究以300MW電廠三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為例，構(gòu)建了相關(guān)微元的能量守恒以及質(zhì)量守恒方程。模型輸出空預(yù)器內(nèi)部流體溫度場和金屬壁溫度場，三維溫度場分布能夠有效對(duì)于空氣預(yù)熱器中的具體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，和實(shí)際情況保持一致。在確保相關(guān)的參數(shù)相同的前提下，能夠基本實(shí)現(xiàn)校正效果，可以滿足不間斷監(jiān)控需要，對(duì)于提升電廠的安全工作具有重要意義。