300MW回转式空预器漏风分布综合模型.pdfVIP

第3 4卷第 1 期 2 0 0 6年 1月 妻蓉电力 e a s t c hi n a e i e c t r i c p o w e r vo 1 3 4 no 1 j a n 2 0 0 6 3 0 0 mw 回转式空预器漏 风分布综合模型 王洪跃 。 毕小龙。 司风琪 ， 徐治皋 ( 东南大学 动 ， j 程系， 江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ： 回转式空气预热器是高参数大容量电站锅炉广泛采川的尾部换热设备 ， 漏风率高是该类设备的敛命 缺点。提 了3 0 0 mw机组回转式空气预热器的漏风分佑的综合模型， 其巾包禽 2个了模型： 一个是基于压 降机理建立的质量守恒和能最守恒模型， 乃一个是旗于流体网络建立的空预器内部漏风分布模掣 以某电厂 3 0 0 m w机组尾部换热设备为仿真对象， 求解同转式空预器的径向 埘向和轴 的漏风分布， 得出轴向漏风l祠 i 径向漏 町以棚似化处理的结论， 认为存加装径向密封装置时， 也应该对轴 密封加以改造， 这对回转式空预 器的状态检修和运行维护具有指导意义 关键词： 回转式窄气预热器； 漏风分布i 模型； 压 作者简介： 1 ： 洪跃( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 博十， 研究方向为火电机组运行优化与控制仿真。 中图分类号： t k 2 2 3 文献标识码： a 文章编号： 1 0 0 1 i 9 5 2 9 ( 2 0 0 6 ) 0 1 - 0 0 4 4 - 0 5 co mp r e h e n s i v e a i r l e a k a g e d i s t r i b u t i o n mo d e l s f o r r o t a r y a i r p r e h e a t e r s o f 3 0 0 mw u n i t s wang ho n g yt e，bi xi a o h mgsi ， q i ，xu zhi ga o ( d e p t o f p o w e r e n g i n e e i n g ， s o u t h e a s t u n i v ，n a n j i n g 2 1 0 0 9 6 c h i n a ) ab s t r a c t ： t h e r o t a r y a i r p r e h e a t e r ，w h i c h i s t h e wi d e l y i l s e d t a i l e n d h e a t e x c h a n g i n g e q u i p me n t i n l a r g e c a p a c i t y b o i l e r s w i t h h i g h p a r a me t e r s h a s t h e f a t a l d e l c t o f a h i g h a i r。 l e a k a g e r a t i n g t i l e c o mp r e h e n s i v e a i r l e a k a g e d i s t r i b u t i o n mo d e l f o r t h e r o t a r y a i r p r e h e a t e r 0 f 3 0 0 mw u n i t s i s p u t f o r w a r di n c l u d i n g t h e ma s s c o n s e r v a t i o n a n d e n e r g y c o n s e r v a t i o n mo d e l b a s e d o n p r e s s u r e d r o p me c h a n i s m ，a n d t h e i n n e a i r l e a k a g e d i s t r i b u t i o n mo d e l b a s e d o n fl u i d n e t w o r k t h e t a i l e n d h e a t e x c h a n g i n g e q u i p m e n t o f a 3 0 0 mw u n i t w a g t a k e n 8 s t h e s i m u l a t i o n o b j e c t a n d t h e r a d i a l ，e i r e n mf e r e n t i a l ，a n d a x i a l a i r l e a k a g e d i s t r i b u t i o n o f t h e r o t a ry a i r p r e h e a t e r w e t 。e s t u d i e d i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e a x i a l l e a k a g e a n t t h e r a d i a l l e a k a g e e a 1 b e t r e a t e d s i mi l a r l ya n d t h e a x i a l s e a l i n g s h o u l d a l s o b e r e t r o fi t t e d w h e n t h e r a d i a l s e a l i n g i s i n s t a l l e d t h e c o n c l u s i o n p r o v i d e s g u i d a n c e l o r c o n d i t i o n n ml n t e n a n c e a n d o p e r a t i o n a l ma i n t e il a ll c e o f mt a ry a i r pr e h e a t e r s ke y wo r d s ： r o t a ry a i r p r e h e a t e r ；a i r l e a k a g e d i s t r i b u t i o n；mo d e l ；d if t r e n t i a l p r e s s u r e 1 引言 回转式空气 预热器 ( 亦称 为容 克式 ， 以下简 称为守预器)以其传热密度高 、 结构紧凑、 耐腐 蚀 、 寿命长、 费用低等特点而被大型火 电机组 普遍 采用。3 0 0 mw 回转式空气预热器最大的特点就 是拥有一个更加强大 的轮盘型旋转受热面， 转子 直径达 1 0 m， 并 以 1 4 1 r m i n的速度旋转 ， 其左 右两侧分别为烟气和空气通道。窄气侧又细分为 一 次风通道和二次风通道 ， 当烟气流经转 予时 ， 烟 气将热量释放给蓄热元件 ， 烟气温度降低 ； 当蓄热 元件旋转到空气侧时 ， 又将热每释放给空气 ， 空气 温度升高 。如此周而复始的循环 ， 实现烟气和空 气的热交换。 一 力 而 ， 窄预器是一种回转设备 ， 转动部分和 固定部分存存间隙， 热态运行时 ， 热端 ( 3 3 03 8 0 c 【 ) 与冷端 ( 1 0 01 3 5 o c) 的温差 而使转 子产 牛的热念蘑菇 状变形 ， 如 图 1所示 ， 对于 3 0 0 m w机组的热忿变形可使转了外缘下垂达 2 0 i b m 以上 ， 如此变形必然使人量正爪冷空气从变形 问 隙漏入负 热烟气处。 另一 方而， 回转式空预器处 丁 ： 锅炉风烟系统 的进几和 口如图 2所示 ， 冷空气侧压力高， 热烟 气侧压力低 ， 这又是漏风的动力 。这种由变形间 维普资讯 王洪跃， 等3 0 0 mw 回转式空预器漏风分布综合模型 -一-一一一一。 一一一 一 7 一 一 静 蠡位置 空气剑娴气的过渡l 广 _ y ， x m 空 桎 0 烟气的过渡而 运行位置 图 l 隔板热态运行时蘑茹状变形 图 2 问转式卒预 器的风烟流程压差分布图 隙和流体压差所引起 的漏风称之为压力漏风( 又 称直接漏风 ) ； 还有一种漏风 是由空预器的 自身 结构引起的， 残留于蓄热板间的流体被旋转中的 转子携带入另一仓而造成 的漏风称 为携带漏 风 ( 又称结构漏风) ， 携带漏风是 由空预器 的结构型 式 、 几何尺寸及旋转速度决定的， 而这螳参数对锅 炉是一定的， 转速越低， 携带漏风量越少。 3 0 0 m w 机组转速很低， 基本已到极限值， 故这部分漏风已 经无法减小。 由于高差压 、 大间隙和强大的结构使得 3 0 0 mw机组回转式空预器漏风 问题变得尤为显著。 当过多的空气漏人烟气侧时， 不仅会使送风机、 引 风机耗电量增加 ， 运行不稳定 ， 而且会使燃料送风 量不足， 导致锅炉降负荷运行 ， 从而影响整个机组 的安全 、 经济 稳定运行 j 。 需要建立 一个完 整的数 学模 型来模 拟 3 0 0 m w 机组回转式空预器的漏 风分布 ， 以分析漏风 途径， 采取密封措施， 提高全厂效率。 2回转 式 空预器 漏风 类 型和 漏风 分 布模 型 2 1 空预器压力漏风模型和携带漏风模型 3 0 0 mw 机组尾部受热面采用三分仓 回转式 空预器， 在其内部， 按照漏风形成的原因， 可以分 为压力漏风和携带漏风 ， 压力 漏风按照发牛的位 置又可以分为径向、 周向和轴 向漏风。 当存在漏风时， 包括高压一次风与高压二次 风向负压热烟气的的泄漏； 高压二次风漏入低压 二次风等泄漏 ， 研究整个漏风总貌相对复杂， 因为 一 、二次风同烟气之间的漏风机理是相似的 ， 所以 本文只建立一 次风和烟气之间的漏风分布模型 ， 并将 回转式空 预器 内部漏 风过程做 了理想 化处 理 ， 简化后的理想空预器的漏风分布模型如 图 3 所示 ： 图3 同转式窀预器内部漏风分布总貌 图 4中理想空预器漏风模型包括外壳 ( 剖面 线内部发生漏风) 、 内核( 阴影边界没有泄漏不参 与漏风计算) 和分别 与转子间留有的径向， 轴向 以及周 向间隙。图4中空预器的所有漏风按照形 成原因均可归结为压力漏风和携带漏风。 mh 一 h ,i l h ,i 热 l j n ： 、 了 c ， l 川 ： ra 。 m f m i j r r 、 、 ： p m h m ， - m 转 热 _ ， 7 冷 内 曰 侧 m 侧一一 - _ 一 m h m 1 一 _ ： 一 rc d 1 r ， 热流体 冷流体 4 川转式 预器内部漏风分布总貌 ( 1 )压力 漏风 分类 高压冷空气通过间隙系统侵入低压热烟气， 如图4中： m 、 m ( c 和 m 冷热工质通过转子的蓄热板会有压损p a p ， 造成高压冷流体通过转子和外壳之间的径 向和周向的变形问隙向低压热流体泄漏， 如图4 中： m t t，) 、 m ( h 、 m 和 m 维普资讯 4 6 ( 总 4 6 ) 姜氧电力 2 ()0 6 ，3 4 ( 1 ) ( 2 )携带漏风分类 残留在蓄热板间的流体会被转子携带入另外 仓孔中( 含冷热流体) ， 如图4中： m 、 m ； 2 2 空预器漏风量的计算方程 为了建立完整 的数学模型 ， 假定压力泄漏 为 定熵过程， 这样 力漏风可通过伯努力方程和流 体连续性方程联合求解 ， 即： r ， l l a 2 。 11 t p 一 p l 【 c y p ， j ( 1 ) 式( 1 ) 中前半部分是精确计算表达式， 其中 为气体常数( =1 4 ) ， 后半部分是经验拟合公 式 ， 这里取 y=l ， c ， = 0 8 ， 而整个式子中密封 间 隙 的计算可以采用实际预留值( 见 图 5 ) 与理论 变形值 ( 图 2 ) 的差值来处理， 图 5为冷热端面 径向、 轴向和周向预留f n l 隙。 向轴 崩肜板 二 0 2 2 _ e 磊 高 霉 轴向弧形片 f 径向密封片 础 圈 5 3 0 0 mw 空预器密封 口 j 隙 的实际预 仙 工质压差 ap和密度 p在不 同的泄漏位置取 值也不同， 如表 1 所示 。 表 i 空预器漏风压差与密度取值对照表 泄漏项 符号 压差 密度 径 热端面 m n p h p 向 冷端面 “ i p 1 p h r pr ， i 热端热 入 ，n _i ) 一 p o p 轴 热端冷 t m p p ， p 向 冷端热出 小 ： p 一 p p 冷端冷人 m p 一 p ： p ， i 周 总一处 m r lil p i p h i p 携 热进入冷 # t i h w p h 一 冷佳人热 m“ p c 携带漏风量的 汁算公式 ， 首先认为空预器有 n 层隔板， 每层隔板由底孔比率 r ， 和高 的孔板 仓组成， 代表转子的轴向密封间隙， 并且引入 进 出口流体平均密度来表达 ： ， 1 7 m f rp i ( l )+a l 1 ( 2 ) 式 ( 2 ) 中平均密度 由进出 流体的温度和 压力来确定 ， 可见携带漏风 主要取决于转子 的旋 转速度 v 、 通流面积 和1质在冷热端面的平均 温度 。 前2个因素与卒 预器 的构造和运 行工况有 关， 视为常数， 平均密度p受端面工质平均温度的 影响也小大， 所以可将回转式宅气预热器的携带 漏风看作其刚有属性， 不町避免 。 通过后面的计算可知这部分漏风占预热器总 漏风量中较小份额， 可常数化处理 。 2 3 实际 3 0 0 mw 回转式空预器的漏风模型 实 际回转式空 预器的综合漏风模型包括表 1中提 到 的 9个质量 流量方 程 ， 以及在 图 3中 i ， ， ， 各混合点的质量守恒和能量守恒方 稗 求解参 数还包括 ： ( 1 )冷热流体通过蓄热板时的质 量流 m 、 m h 和各 自的 出 口流 量 m 、 m h 这 网个 附 加 的质量 流 ta a , ； ( 2)转 子 与 外壳 之 间 的混 合点 b， e 的 4 个压力温度参数 p 、 7 1 、 jp 、 t ； ( 3)t 、 t 、 这 3个 流体 流 人流 出温 度参数。 所 以 ， 实 际 3 0 0 mw 宅 预器 漏 风模 包 含 2 0个待定系数 ， 需 要建立 2 0个方程联立求解 。 表 1中根据式 ( 1 ) 可 以 7个直接漏 风方 程 ， 公式 2可 以列 2个 携 带漏 风 方 程 ； 根 据 质 量守恒定律在 a， b， ， f 6点可 以得到 6个等 式 ( 表 2) ； a， b， c， e和 可 以得 到 5个能量 守恒方程 ( 见表 3 ) 。 未知量的个数 和方程 个数 相 同 ， 纯从 数 学的角度看 ， 问题可解 ， 且有唯一一组解 。 在 a， ， ， f 6点根据质量 守恒定律 可以得 到 6个等式 ： m 一m = 0 ( 3 ) 住a， 日， c ， 和 町以得到 5个能量 j 。 f 方程： m 日 一m h = 0 ( 4 ) 因此 ， 未知量的个数和方程个数相同， 问题 町 解。 l 述所列疗程 中， 是将流体 的物性参数作 为 维普资讯 王洪跃。 等3 0 0 m w 回转式空预器漏风分布综合模型 常数处理， 而且理想的认为流体通过空预器转子 后即刻混合到平衡状态。 但实际上流体的物性参数问具有很大的耦合 关系， 这就使得上述综合漏风分布数学模型为非 线性模型 l 。 2 4 回转式空预器的漏风模型的求解步骤 ( 1 )将 b 、 e ( 见图5 ) 2点的压力和携带漏风 初始值没为零 ， 计算 、 c、 d、 的温度和压力 ； ( 2 )对照 ( 1 ) 中结果的数量级选择合理 的物 性参数估算 b 、 e点的温度和压力； ( 3 )分析步骤2中的估算结果并计算出口参 数 c， f 2点的温度和压力； ( 4 )依据各点的压力温度来确定各点的密度 和漏风量； ( 5 )返回步骤 1判断携带漏风是否满足设定 的误差精度； ( 6 )如果满足步骤 5中设定的误差精度 ， 3 0 0 m w 回转式空预器各点的运行参数和漏风分布就 已确定。 3 3 0 0 mw 漏风分布模型的实际仿真 通过前面的分析 ， 3 0 0 m w 回转式 空预器 内 部同时发生多处泄漏： 尤其是高压差所引起的漏 风 ， 分布广 ， 数量多 ； 相对于压力漏风 ， 携带漏风分 布集中 、 变化不大， 所 以下面的仿真实例中主要计 算压力漏风分布 。 某电厂3 0 0 m w机组 1 号炉采用三分仓回转 式空预器 ， 其 设计 基本 参数见表 2 ， 自投 产以来， 经过多次改造和加装径 向隔板 ， 但 是空预器漏风 仍很严重 ， 运行性能较差。有必要对该 回转式空 预器的内部漏风分布详细计算， 找出改造中忽视 的漏风点 ， 及时的调节密封系统 ， 用最短的时间换 取最大的安全性和最佳的经济性。 表 2 某电厂 3 0 0 mw 机组空预器设计基本参数 项 目 数值 项 目 数值 一 次风 世 mc i k g- s 4 8 6 2 轮盘转速 n r- ra i n 1 4 1 烟气流量 h ,i k g s 2 0 7 4 转 于直径 d m 1 0 3 2 一 次风温 。 l 7 4 转轴 d m 2 0 3 2 烟气 温度 t i c 3 7 7 6 转盘厚度 l m 2 、 2 0 次风压p k p a 1 0 1 0 水力直径d h in o 4 4 烟气压力p h l 3 o ,i k p a 1 携带漏风量的计算是将该厂空预器参数表中 的已知条件代入式( 2 ) ， 取 ： 0 8 51 3 k g m 可得 m = 2 22 3 k g s ， 携带漏风率为 0 8 7 一 0 8 8 ， 所以将携带漏风作常数处理显然是合 理的。 在压力漏风中， 只列举了漏风率在 8 ( 改造 目标) 和 1 6 ( 漏风严重) 两种情况下冷空气沿着 特定路线进行漏风计算的结果， 虽然具有局限性， 但是从结果数据对比中并不影响最后归纳的结论 和提出建议的合理性。 表 3是不考虑周向漏风而只计算径向和轴 向 漏风分布； 表 4是 不考虑径 向漏风而得到的理论 计算结果。 表 3 以径向漏风为主的空预器压力漏风分布 工况说明： l c e足指在不考虑周 向漏风 而将 8 的压力漏风集 中在空 预器的冷端 ； l he是指 压力漏风全部集中在空预器的热端。 从表3中的结果数据可以得到如下结论： ( i )冷空气的压力漏风通过径向通道 只在冷 端泄漏 ， 所以烟气 的出 口温度达最低 而冷空气 的 出口温度升高。如果压 力泄漏 只发生在热端 ， 则 计算结果正好相反( 显然是最不经济的工况) 。 ( 2)漏 风 分 布 对 压 降 也 产 生 影 响 ， 因 为 p m， 所以集中在端面 的 8 压力漏风也相应 的 增加冷热流体 8 的压降， 可以对比表 3中数据 ( 1 8 0 0 和 1 9 4 1 或者 0 6 7 6和 0 7 4 1 ) 。 ( 3 )实际空预器的径向漏风对内部的冷热流 体的热量传递起到不可忽视的作用， 这也是该厂 多次改造 的理论依据。 ( 4 )如果想获得冷热侧压降的保守值， 可以 将冷流体的压力漏风集中在宅预器的热端面进行 计算 。 工况说明： 对于周向漏风的 2种工况 ， 笔者假 维普资讯 4 8 ( 总 4 8 ) 要 慕 电力 2 0 0 6 ，3 4 ( 1 ) 定漏风是严格按照图5中d e b c和 d e b a两条路 参考文献 ： 径泄漏的。 从表 4中的结果数据得到如下结论 ： 表 4 以周向漏风为主的空预器压力漏风分布 ( 1 )对 j 二 漏风路径 d e b c， 冷空气从其人 口 通过周向旁路直接穿出热烟气出口， 此工况类似 于表 3中的 l c e 。 ( 2 )沿 d e b a的漏风路径， 冷热流体入 口处 的所有泄漏空气都会穿过预热器的蓄热板， 使得 高温烟气的人 口温度降低( ) 和冷流速率 减慢( 轴 向漏风 ) ， l并且和工况 d e b c相 比。 入 口 处 的换热量要减少 7 。 ( 3 )冷空气侵入烟气入口( d e b a) ， 热侧烟 气压降将增 加相 同的百分 比( 对 比 8 和 1 6 d e b a 况 ) 。 ( 4 )d e b c与 l c e具有相似 的周 向漏风途 径， 因此冷热侧的压降基本相同。 4 结论 建议该厂在顶部和底部任意模式下加装径 向密封片时， 也应该对在周向隔板上加装增宽 的周向密封片， 在顶部和底部任一模式下的扇 形仓的隔板 卜 i ， 装 1块径 向密封 片 ， 使 其 与扇形 板 的间隙 达到冷 态 间隙标准 值 ； 同时 任选一 周 向隔板装上周 向密封 片 ， 上 、 下部分别 取其最 大 值加理论计算值作为周向密封片与周向弧形板 的冷态密封间隙标准值， 调整此周向密封片， 使 其与怙 j 向弧形板间隙达到要求。轴向旁路密封 问隙按 照理 沦设 计值 调整 ， 调整热 端 间隙 为 8 1 1 1 1 1 1 ， 冷端 间隙为 3 ra i n 。 l i 池作和 6 0 0 m w 转式空气预热器冷端金属温度试验 研 究l j 中同电机工程学报 ， 2 0 0 2。 2 2 ( 1 1 )： 1 2 9 1 3 1 ， 2 刘幅囡， 牟春华， 魏恩宋， 等v n型回转式空气预热器转 子径向隔板热弹性变形模型 j 中围电机工程学报。 2 0 0 1 ， 2 1( 1 1 ) ： 9 79 9 3 王缱h j 。 曹佳呜 i分仓式卒预器一次风泄漏问题 探 j 动力 工程 ，1 9 9 9 ， 4 胡华进， 徐治皋 剐转式空预器传热特忡的算法研究 l j 动 力工程 。 l 9 9 8， 1 8 ( 1 ) ： 5 4 5 5 5 吴来垠， i 【 1i 转式空气预热器的现状发其完善 j 1 j 固电 力 ， l 9 9 8 ， 3 i ( 5 ) ：3 o一3 2 6 岑可法， 樊建人， 池作和， 等 锅炉和热交换器的积灰、 结 渣、 磨损和腐蚀的防止原理与计算 m ， 北京： 北隶