三分仓回转式空预器的详细热力计算方法

江苏电机工程2015年5月jiangsu Electrical Engineering第34卷第3期三分仓回转式空预器的详细热力计算方法陈欢,周克毅,黄军林(东南大学能源与环境学院,江苏南京210096摘要:为提高锅炉三分仓空预器的热力计算精度,根据三分仓空气预热器的传热机理及温度分布特点,结合各分仓之间的漏风,建立三分仓微元体数学模型,得到各分仓的微分解析式,釆用迭代计算的方法得到各分仓流体平均温度及金属蓄热板的平均温度。某100MW三分仓回转式空预器算例表明,该算法具有较高的计算精度,能够考虑各分仓的漏风影响,且可划分数量不等的计算区域进行计算以满足不同的工程需求,可以得到金属蓄热板的平均温度分布,为低温腐蚀和积灰提供溫度参考。关键词:三分仓:微元模型;传热;对流;漏风中图分类号:TK222文献标志码:A文章编号:10090665(2015)03-0010-04三分仓回转式空气预热器是一种旋转换热的装置,广泛应用于大型锅炉。锅炉的三分仓空气预热器1数学模型与普通的二分仓回转式空气预热器相比,多出一个通如图1所示,三分仓回转式空气预热器转子转动道,它将空气流通区域分成一次风和二次风两个通时,金属受热面依次经过烟气、二次风、一次风,高温烟道,满足不同空气出口压力和温度的要求。气对金属受热面加热,金属再加热冷空气。可以利用微三分仓空气预热器温度分布的精度对火电节能元体建立微元方程,然后在适当简化的条件下得到三及换热元件腐蚀具有重要意义。目前,二分仓空气预分仓空气预热器的计算模型。热器的热力计算方法相对比较成熟1,而三分仓空气烟气预热器的热力计算到目前为止并没有完整成熟的方次法。文献[2]基于二分仓空气预热器热力计算推广到三分仓空气预热器热力计算。文献[3]利用数值方法二次风研究了由偏微分方程得到的二维传热方程。文献[4]建立复杂的微分方程利用数值方法对内部的温度场进行了模拟。文献[5]考虑金属蓄热板竖直切面平均图1三分仓回转式空气预热器传热示意图温度沿旋转方向的非线性特性得到出口空气温度的解析表达式。文献[6以大量的试验和统计数据为基1.1微元方程根据空气预热器的工作原理、稳态工况下的流体础,通过计算直接得到烟气一空气传热系数的变化量以及受热面的能量平衡与传热关系可以建立空气预热简化计算。文献[7]基于文献[5]中的方法推广到了四器转子的微元方程。如图2所示,微元体的半径与空气分仓的计算。上述文献介绍的方法存在一些不足,文献[2,3]没有考虑到蓄热板平均温度沿旋转方向的非预热器转子半径相同,角度为。线性特性;文献[4,5]计算量大,不适用于工程应用;文献[5,7]虽然避免了上述不足,但是均需将一、二次风合并处理,无法分别计算三分仓的一、二次风区的漏风。文中在前期研究的基础上5),考虑三个仓之间的漏风差异,建立了三分仓微元体模型,同时考虑金属蓄热板竖直切面平均温度沿旋转方向的非线性及流体温度的非线性特性,对三分仓各个仓进行计算,无图2三分仓空预器微元体示意图需将一、二次风合并处理,从而得到了三分仓空气预在忽略金属和流体轴向及切向导热的条件下,流热器的详细热力计算方法,且可划分数量不等的计算体放热或吸热的微元体方程表示为区域进行计算,以满足不同的工程设计和分析需求。c0(4(d+)-=a(43-)(1)收稿日期:2015-02-12;修回日期:2015-03-18基金项目:国家自然科学基金项目(51176031)受热面蓄热或放热的微元体方程表示为:分仓回转式空预器的详细热力计算方法cm2m(24+1)41a4()(+t)(2)式中:c1为流体比热容,kJ/(kg·℃);p为流体密度60。H,,t2+tkJ/m;a为流速,m/s;a为单位弧度流体通流截面积aB 2TcmM;,n(7)m2/radB为通道所占角度,rad;t;为流体温度,℃;为式中:下标n=1,2,表示沿流体方向将空预器分成2段,受热面高度,m;ar为流体与金属的换热系数,W/靠近进囗段n为1,靠近出口段n为2;下标j=1,2,3,(m…℃);h为单位高度单位弧度受热面的换热面积分别表示烟气区、二次风区、一次风区;am2/(rad,m);:m为金属受热面温度,℃;cn为金属比热mm,马为第j区第n段考虑漏风后的参数;Hn为容kJ(kg℃);mn为单位高度、单位弧度金属质量,第j区第n段的换热面积;!m1,为第j区第n段流kg/(mrad);n为转子转速,r/min。由式(1)和式(2)可体考虑漏风后的进口平均温度和出口平均温度,℃得到如下的微分方程:tm。为第j区第n段的金属受热面竖直切面的平均温度,℃;M为第j区第n段金属转子总的质量,kg。al crura m-4)Wn为第j区第n段在(a+△a1+4△a2)过量空气系数下60a haB 2cm mn (tr-t(4)得的流速,其中a为该区域的过量空气系数,m|s由于漏风影响导致质量流量变化,流速将会改变,1.2计算区划分及漏风流速的计算为式(3)、(4)的准确性与换热系数、流体的物性参Ba1V(t+273)数、金属的物性参数有密切的关系,均与温度相关,即273F与三分仓空预器内部温度场有关。理论上当空预器沿式中:Ba为计算燃料消耗量kg/s;V为(a+△a1+△a2)过高度方向被分成的段数越多、沿圆周方向被分成的区量空气系数下的体积,mkg;t为考虑漏风后区域的平域越多时,由式(3)和式(4)获得的温度场也更精确。均温度,℃;F为通流截面积,m2。记:但是,随分成区段增加,其计算量也会增加。考虑到空气预热器一般都分为热段、冷段,两者材料和板型均不NM"2 CGaPi, n 9,a马m同,为求解的简便,这里可将空预器分成冷热2段。整B个空气预热器被分成6个区分别进行计算,即热段烟气区、热段二次风区、热段一次风区、冷段烟气区、冷段代入式(6)、(7)得各个分区所满足的关系式:二次风区以及冷段一次风区。1(10在实际运行中,由于密封问题将不可避免造成各A,(个区之间的漏风,包括一次风区向二次风区漏风、一次B(11)风区向烟气区的漏风,以及二次风区向烟气区的漏风漏风会对区域的传热和温度分布造成影响,所以在计由式(10)可得到算各个区域时,要将各漏风量加入对应区域的流量中2-An-1(12)并考虑漏风温度的不同,然后确定各区域的流量、流速、平均温度、换热系数等。按常规处理方法,本文也1t+(13)将各区域的进口作为漏风点13各区模型将式(13)代人式(11),可得到首先考虑漏风影响对进口焓值的改变-2B(14=I+△a1l1+△a2l2将式(14积分得到弧度为B处的流体出口温度式中:!,分别为考虑漏风前后进口温度对应的焓值;R B△a1、△a2为相邻两区对应的漏风系数,漏进为正,漏出i, n (B)=t, n-1+Ci.ne(15)为负;1,l为相邻两区对应的平均焓值。式中R。=-2B。(A+2);Cm为常数。然后由新的焓值求出新的进口温度,再用差分替将式(15)代人式(12)得到金属蓄热板过转子圆心代式(3)中的微分,并用考虑漏风影响后各区流体进出的竖直切面平均温度口的平均温度作为流体传热温度,可得各区传热和蓄tmi.(B)R月=t:+热关系式:江苏电机工程由式(15)积分,可得各个分仓流体的平均出口温度为假设烟气出口温度月。t,(4=B0(m+C)48(17)二次风出口温度次风出口温度式中:月为第j区在空气预热器中所占的孤度,ad计算考虑漏风影响后各若已知流体进口平均温度和出口平均温度,可将个区的进口流体温度已知条件代入式(17)求解积分方程式得到常数,从而计算得出各个区金属板由式(16)求得金属蓄热板竖直切面进口平均温度:进出口温度2+Amn(0)=la1+2A(18)和出口平均温度判断金属板烟气区出口与二次风区进口温度Emi, n P/-. -/*4风区出口与一次风区进口温度N次风区出口与烟气区进口温度是否相等14求解的唯一性整个空气预热器共分成6个区,每个区都有3个方程,即式(14)、(15)和(16),共有18个方程。另外每个相邻区金属蓄热板温度相等,增加6个方程。这样图3每段的计算流程整个空气预热器合计有24个方程。每个区都有4个漏风影响时,先考虑漏风对进口流体温度、流量的影未知数,即1n,Cn,mn(0)和tnn(B),共有24个未响再按照模型计算流体出口温度及金属蓄热板温度。知数,与24个方程相对应,可解得唯一解。(2)考虑到烟气侧及空气侧的散热,文献采用与计算标准一致的方法,计算A,时,在其分母上乘以保2计算温系数,即A1n=anH1n/2 TCn,Po,Wa,a1n21计算步骤(3)考虑到受热面污染、未完全冲刷等因素的影根据文中计算模型可分别对冷热段各个仓进行响在计算换热系数a。时,考虑热利用系数的影响。计算,由式(17)、(18)和(19)迭代求解出各个区流体4)在计算A,,B时,涉及到计算各参数,有些的出口平均温度。每段的计算流程如图3所示,其总参数的计算在标准中没有涉及。因为烟气是由各种气体计算步骤为:体混合而成,所以烟气的部分参数计算如下1)已知热段烟气进口平均温度、冷段一次风及二次风进口平均温度,假定热段、冷段烟气出口平均r(+aLo)T温度,热段、冷段二次风出口平均温度,热段、冷段式中h,为平均烟焓,J/kg;Lo为完全燃烧lkg燃料次风出口平均温度,考虑漏风影响得到新的进口温理论上需要的空气质量kg度、流速等参数,由式(17)得到常数C1,C12,最后由G B式(15)和式(18)得到热段、冷段烟气区金属蓄热板的Prwr--进出口平均温度tmn,t"mnn;式中G为1kg燃料烟气质量kg/kg;B为计算燃料(2)按照烟气区求解的方法,得出二次风区金属消耗量,kg/s。空气的部分参数如下:蓄热板的进出口平均温度tnn,;P=&。B(22)(3)按照烟气区求解的方法,得出一次风区金属其余参数可参考文献[8]计算获得。蓄热板的进出口平均温度tnn,"m3n;4)最后将冷热段的金属蓄热板进出口平均温3计算结果及分析度进行比较若满足:|m-tma2|k