（热能工程专业论文）三分仓回转式空气预热器的热力计算方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文结合现行的热力计算标准，对电站锅炉三分仓回转式空气预热器的热力计 算进行了研究，根据能量平衡的关系列出偏微分方程，推导出了三分仓回转式空气 预热器烟气冷、热段出口温度，一、二次风冷、热段出口温度的计算模型。并以某 2 2 0 m w 锅炉为例进行三分仓回转式空气预热器热力计算，得到现烧煤种对应的烟 气酸露点，结合冷、热段的进出口的烟气和工质的温度计算出冷、热段的最低壁温。 研究结果对合理的投运暖风器、选择合适的送风温度以及电站锅炉的安全、经济运 行具有重要的工程价值。 关键词：热力计算，三分仓回转式空气预热器，能量平衡，酸露点 a b s t r a c t t h e r m a ld y n a m i cc a l c u l a t i o no ft r i s e c t i o n a lr o t a r ya i rh e a t e rw a ss t u d i e di nt h i s p a p e r , b a s e do nt h ep r e s e n tt h e r m a ld y n a m i cc a l c u l a t i o ns t a n d a r d c o r r e l a t i o ne q u a t i o n s f o rc a l c u l a t i n go u t l e tf l u eg a st e m p e r a t u r e so fc o l da n dh o ts e c t i o n si nt r i s e c t i o n a l r o t a r ya i rh e a t e rw e r ed e d u c e d ，a sw e l la st h o s ef o rc a l c u l a t i n go u t l e tp r i m a r ya n d s e c o n d a r ya i rt e m p e r a t u r e so fc o l da n dh o ts e c t i o n s m o r e o v e r ，at h e r m a ld y n a m i c c a l c u l a t i o ne x a m p l eo ft r i - s e c t i o n a lr o t a r ya i rh e a t e ro f2 2 0 m wb o i l e rw a sd o n e ，a n d f l u eg a sa c i dd e w p o i n tc o r r e s p o n d i n gt op r e s e n tc o a lw a so b t a i n e d ，t h e nm i n i m u mw a l l t e m p e r a t u r e so fh o ta n dc o l ds e c t i o n sw e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt oi n l e ta n do u t l e t t e m p e r a t u r e so ff l u eg a sa n dw o r k i n gs u b s t a n c e t h es t u d yr e s u l t sh a v ei m p o r t a n t e n g i n e e r i n gv a l u e sf o rr e a s o n a b l ea i r w a r m i n g f a nc o m m i s s i o n ，p r o p e ra i r f e e d i n g t e m p e r a t u r es e l e c t i o n ，a sw e l la ss a f ea n de c o n o m i co p e r a t i o no fu t i l i t yb o i l e r s h u a n gj i n g l i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：t h e r m a lc a l c u l a t i o n ，t h r e es e c t i o n a lr e g e n e r a t i v ea i rp r e h e a t e r , e n e r g yb a l a n c e ，a c i dd e wp o i n tt e m p e r a t u r e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文结合现行的热力计算标准，对电站锅炉三分仓回转式空气预热器的热力计 算进行了研究，根据能量平衡的关系列出偏微分方程，推导出了三分仓回转式空气 预热器烟气冷、热段出口温度，一、二次风冷、热段出口温度的计算模型。并以某 2 2 0 m w 锅炉为例进行三分仓回转式空气预热器热力计算，得到现烧煤种对应的烟 气酸露点，结合冷、热段的进出口的烟气和工质的温度计算出冷、热段的最低壁温。 研究结果对合理的投运暖风器、选择合适的送风温度以及电站锅炉的安全、经济运 行具有重要的工程价值。 关键词：热力计算，三分仓回转式空气预热器，能量平衡，酸露点 a b s t r a c t t h e r m a ld y n a m i cc a l c u l a t i o no ft r i s e c t i o n a lr o t a r ya i rh e a t e rw a ss t u d i e di nt h i s p a p e r , b a s e do nt h ep r e s e n tt h e r m a ld y n a m i cc a l c u l a t i o ns t a n d a r d c o r r e l a t i o ne q u a t i o n s f o rc a l c u l a t i n go u t l e tf l u eg a st e m p e r a t u r e so fc o l da n dh o ts e c t i o n si nt r i s e c t i o n a l r o t a r ya i rh e a t e rw e r ed e d u c e d ，a sw e l la st h o s ef o rc a l c u l a t i n go u t l e tp r i m a r ya n d s e c o n d a r ya i rt e m p e r a t u r e so fc o l da n dh o ts e c t i o n s m o r e o v e r ，at h e r m a ld y n a m i c c a l c u l a t i o ne x a m p l eo ft r i - s e c t i o n a lr o t a r ya i rh e a t e ro f2 2 0 m wb o i l e rw a sd o n e ，a n d f l u eg a sa c i dd e w p o i n tc o r r e s p o n d i n gt op r e s e n tc o a lw a so b t a i n e d ，t h e nm i n i m u mw a l l t e m p e r a t u r e so fh o ta n dc o l ds e c t i o n sw e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt oi n l e ta n do u t l e t t e m p e r a t u r e so ff l u eg a sa n dw o r k i n gs u b s t a n c e t h es t u d yr e s u l t sh a v ei m p o r t a n t e n g i n e e r i n gv a l u e sf o rr e a s o n a b l ea i r w a r m i n g f a nc o m m i s s i o n ，p r o p e ra i r f e e d i n g t e m p e r a t u r es e l e c t i o n ，a sw e l la ss a f ea n de c o n o m i co p e r a t i o no fu t i l i t yb o i l e r s h u a n gj i n g l i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：t h e r m a lc a l c u l a t i o n ，t h r e es e c t i o n a lr e g e n e r a t i v ea i rp r e h e a t e r , e n e r g yb a l a n c e ，a c i dd e wp o i n tt e m p e r a t u r e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文三分仓回转式空气预热器的热力 计算方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：煎起 日期：学位论文作者签名： 民盘k 一一一一日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：缒导师签名： 日期：日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 空气预热器是大型电站锅炉的主要部件之一，它的主要功能是利用锅炉燃烧排 放的尾部烟气来预热即将进入锅炉燃烧的空气和制粉系统所需的空气。目前较为普 遍的空气预热器主要有管式和回转式空气预热器两种。因回转式空气预热器具有结 构紧凑、便于布置、金属耗量少、磨损影响较小等优点，越来越被大容量锅炉机组 采用。回转式空气预热器按照回转部件的不同可分为受热面回转式和风罩回转式两 种。 上世纪8 0 年代末我国各大电厂都采用美国和欧洲一些发达国家引进回转式空 气预热器这种新的空气预热方式。回转式空气预热器的广泛应用极大地提高了我国 大型锅炉的性能，它至今仍是全世界最先进、最流行的大型空气预热器形式。 目前我国对两分仓回转式空气预热器仍然根据文献【1 】的热力计算方法只能得 到烟气和空气的出口平均温度，而不能得到空气预热器内部的烟气、空气和受热面 的温度分布情况，所以不能很好地用于对空气预热器的变工况特性及其安全性和经 济性分析。对2 2 0 m w 及其以上的锅炉均采用三分仓回转式空气预热器，但现在还 没有与之相对应的热力计算标准。人们对回转式空气预热器的研究大多针对其漏 风、积灰和低温腐蚀等问题，而对其换热计算的方法的研究比较少。 1 2 回转式空气预热器国内外研究状态 目前国内两分仓回转式空气预热器的热力计算套用间壁换热的计算方法，由 锅炉机组热力计算方法提供详细算法【l 2 】，它是一种典型的静态计算方法。由于 三分仓回转式空气预热器工作过程更加复杂无法用简单的热阻法建立传热公式，不 能直接引用锅炉机组热力计算方法的算法。 任泽霈针对工业加热炉高温排烟预热回收的两分仓回转式空气预热器进行研 究f 3 4 】，对回转式换热器的动态和周期性换热过程进行了理论分析和计算，建立了一 维动态数学模型。模型将传热过程分为加热周期和冷却周期。在加热周期中，热气 体的能量方程： 见c 彳 _ a t h + p h c h 彳 “ 罢+ 向 p ( ， 一1 ) ：o d fo x 金属壁温的微分方程为： 华北电力大学硕士学位论文 叫。警+ 似铲= 脯4 瓦a t s 冷却周期中，冷气体的能量方程为： 成c 。么。i a t c + p 。c 。彳。“。= a t c + h o p ( ，。一f ，) ：o d fo x 金属壁温的微分方程为： 叫，+ 似) = 脯以鲁 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 式中，f 一温度，； p 一密度，堙m 3 。 c 一比热，k j ( k g ) 5 彳。一气体地流通面积，m 2 ； 么。一管壁面积，m 2 ； u 一是气体的平均流速，m so 办一是对流换热系数，w ( m 2 ) ； 上述几个方程的分析求解几乎是不可能的，只能用数值差分方法求解。模型的 计算量大，通用性较差。 胡华进等推导了回转式空气预热器的数学模型【卯、定解条件及数值求解的递推 公式，并针对三分仓空气预热器进行了求解验证，得到了三分仓回转式空气预热器 的计算方法。其基本方程包括传热方程、转子热转移方程和烟气热转移方程。 传热方程为 q = 口d h ( t r ) 转子热转移方程为 g = 捌q 瞰+ 嘉d o ) _ ，】= 崛嘉枷 烟气侧热转移方程为 q = d b c 一叮+ a t a t , 1 ) 1 = d b ca 8 t 7 d l 式中q 一传热量，尼； 口一传热系数，k w ( m 2 ) ； 2 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 日一传热面积，m 2 ； 丁一工质温度，； m 一单位时间移入或移出控制体的金属质量，m = g 国； c ，一金属比热，k j ( k g ) ； b 一计算燃煤量，堙s ； c 一工质比热，k j ( k g ) ； ，一转子高度，m ； 秒一转子周向角度，r a d 。 以上方程能够反映空气预热器内的工质及金属温度场的分布，但模型忽略了换 热的动态过程，不能反映各参数随时间的变，因此只适应于静态分析。东南大学的 冷伟【6 1 提出了基于解析方法的回转式空气预热器的换热计算，改进回转式空气预热 器热力计算的方法和回转式空气预热器非稳态换热的分析。根据回转式空气预热器 的工作原理，可以得到在稳态运行过程中，流体( 烟气、一次风、二次风) 以及受 热面的能量平衡与传热量之间的关系式： 流体：c ，y 厂乃口百c o t f = a f h ( t m - t f ) 受热面心 嘉= a f h ( t f - - t m )a d 在( 1 8 ) 、( 1 - 9 ) 中， c ，受热面的比热，k j ( k g ) ； c 。一是受热面的比热，k j ( k g ) ； w ，一流体的流速，m s ； p ，一流体的密度，k g m 3 ； 日一是单位角度的流体的流体流通面积，聊2 r a d ； 口，一是流体与换热面积之间的换热系数，k w ( m 2 ) ； 办一单位角度、单位高度，的换热面积，m 2 ( mxr a d ) ； m 。一单位角度、单位高度的受热面质量，k g ( m xr a d ) ； 刀一是转子的角度转动速率，r a d m i n ； f 。一受热面的温度； i f 一流体的温度，。 3 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 冷伟根据空气预热器的工作机理，通过数学推导，得到了传热计算的解析方法， 是对目前回转式空气热力计算方法的进一步的完善和扩展。但是文献 6 中的指的空 气预热器的质量是指金属蓄热板的质量，还是指空气预热器的质量( 厂家提供) 文 献【6 】并没有明确说明。文献【7 j 提出了保证空气预热器换热元件不腐蚀，堵灰的条件 是最低壁温大于酸露点，而非平均壁温大于酸露点。该方法认为传热元件的b i 数大 约为1 0 3 1 0 ；烟气和空气进入传热元件时的速度场和温度场都是均匀的；烟气沿 着传热元件径向厂的流通面积f = f ( ，- ) ，为方便考虑，只研究某一，处的传热过程， 因此，本问题由三维变成二维：传热元件沿高度( 办) 方向无导热。文献【8 】虽然得到了 工质、金属的当量温度场分布但是采用了以下假设，假设金属本身沿流动方向的导 热忽略不计；金属表面温度等于金属沿径向的平均温度；气体在蓄热面上换热是均 匀的；在空气预热器所处的范围内工质的热物理特性随温度变化不大，认为它与温 度变化无关。 国外一些学者d r a t t h e v 提出来了基于无量纲时间【9 】，无量纲温度，无量纲 长度上的温度的分布情况，把出口烟气温度，出口空气温度，烟气侧进口平均金属 温度，空气侧进口平均金属温度，烟气侧出口平均金属温度，空气侧出口平均金属 温度，随无量纲时间的变化情况。文献【lo 】主要工作是把自己建立的理论模型和实验 数据进行比较。文献【l l 】讨论了空预器漏风对传热性能的影响，建立了几个测点的质 量平衡方程、能量平衡方程。文献【l2 j 讨论了燃煤电站锅炉的尾部烟气对空气预热器 的腐蚀，主要考虑了烟气流速和飞灰颗粒撞击的角度对受热面造成的腐蚀，并且建 立了一系列的数学模型，提出了降低腐蚀的几点建议。文献【l3 】提出的数学模拟基于 一个热力分析仪处理了回转式空气预热器温度场。文献【1 4 】提出的基于c f d 数值模 拟计算软件计算了空气预热器的腐蚀速率，计算误差在1 0 左右，这样就能确定空 气预热器的使用年限，通过这种方法可以把国内的一些空气预热器分冷、热段的进 一步研究，当冷段腐蚀严重时可以及时更换冷段。文献f l5 1 提出了根据 f o u r i e r k i r c h h o f f ( 傅立叶一基尔霍夫) 能量平衡方程 p ，c 彤旦互笋= 亏【以亏t o ，z ，) 】 式中，p ，一蓄热板的密度，堙i m 3 。 c p x 一蓄热板的比热，j ( k g k ) ； 瓦( ，z ，f ) 一蓄热板温度，k ； f 一时间，j ： 4 ( 1 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 旯。一导热系数，w ( m k ) 。 建立的热量平衡关系，对非稳态回转式空气预热器的传热模型提供了一种快速 简洁的办法，在空气预热器的参数范围内适用，通过数学变换得出该传热模型是线 性的。文献【1 6 】提出一个数学模型，回转式空气预热器的金属板的蓄热能力的大小可 以认为由板厚、容积大小、n t u 限制三个方面决定。文献【1 7 】也是基于能量动态平衡 的方程的数值解进行表示。 综上所述，国外一些参考文献也是在很多假设条件下进行的，比如说金属本身 沿流动方向的导热忽略不计；金属表面温度等于金属沿径向的平均温度；气体在蓄 热面上换热是均匀的；在空气预热器所处的范围内工质的热物理特性随温度变化不 大，认为它与温度变化无关等。 1 3 课题研究内容 1 3 1 理论模型 在现有的研究结果的基础上，根据锅炉机组热力计算标准方法做进一步的热力 计算，根据能量平衡关系列出偏微分方程，对该方程采用m a t l a b 进行求解，将 空气预热器金属壁温分布用数学模型表达出来，并且试图把一次风出口温度、二次 风出口温度建立各自的能量平衡方程。将一次风、二次风出口温度，烟气出口温度 求出来。把暖风器的投运情况，最低送风温度的选择，将排烟温度的高低控制在最 优状态，空气预热器不被酸性腐蚀，使电站锅炉能够安全经济地运行。 1 3 2 实例研究 通过对某一电厂实际运行参数分析，验证理论模型的可行性。其研究内容详见 相关研究方法部分。首先需要进行回转式空气预热器的校核热力计算，得到不同进 口冷风温度工况下的热段进口( 即冷段出口) 空气温度与热段出口烟温。回转式空 气预热器热段与冷段的校核热力计算为一迭代计算过程【l 】，在已知某一冷段进口风 温的条件下，首先假设热段出口空气温度，然后，迭代计算热段进口空气温度与出 口烟气温度：再迭代计算冷段出口烟气温度与出口空气温度，当冷段出口空气温度 与金属段进口空气温度值超出规定误差时，重新假设热段出口空气温度，重复以上 计算过程，直至满足要求。 1 3 3 研究方案，工作特色 通过查询近十年来关于空气预热器的文章和书籍，由于它的传热过程是烟气放 5 华北电力大学硕士学位论文 热，金属蓄热，空气吸热造成建立数学模型有很多假设。金属本身沿流动方向的导 热忽略不计；忽略金属本身沿径向的传热影响，即金属表面温度等于金属沿径向的 平均温度；气体在蓄热面上换热是均匀的；空气预热器所处的温度范围内工质的热 物理特性随温度变化不大，认为它与温度无关。 本文基于能量平衡推导出三分仓回转式空气预热器的烟气出口温度，一、二次 风出口温度计算模型，并以某2 2 0 m w 锅炉为例进行三分仓回转式空气预热器热力 计算，得到现烧煤种对应的烟气酸露点，结合冷、热段的进出口的烟气和工质的温 度计算出冷、热段的最低壁温。研究结果对合理的投运暖风器、选择合适的送风温 度以及电站锅炉的安全、经济运行具有重要的工程价值。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章回转式空气预热器的工作原理及应用 2 1 回转式空气预热器的工作原理及特点 电站锅炉煤粉与助燃风燃烧后产生的高温烟气由炉膛、过热器、再热器、省煤 器等换热器后至空气预热器。空气预热器是利用烟气的热量来预热空气。空气预热 后，在送进炉膛去参加燃烧，可以使燃烧更稳定。 回转式空气预热器是一种以逆流方式运行的再生式热交换器。加工成特殊波纹 的金属蓄热元件被紧密地放置在转子扇形隔仓内。转子以一定转速旋转，其左右两 部分分别为烟气和空气通道，空气侧又分为一次风通道及二次风通道，当烟气流经 转子时，烟气将热量释放给蓄热元件，烟气温度降低。当蓄热元件旋转到烟气侧时， 又将热量释放给空气，空气温度升高，如此周而复始地循环，实现烟气与空气的热 交换。 2 1 1 回转式空气预热器的分类 按运动方式分，回转式空气预热器分为受热面转动和风罩转动两种形式。在受 热面回转式空气预热器中，受热面装于可转动的圆筒形转子中，转子被分隔成若干 个扇形仓格，每个扇行仓格内装满了由金属薄板( 波形板) 做成的传热元件。 圆形外壳的顶部和底部上下对应的被分隔为烟气流通区、空气流通区和密封区 三部分。烟气流通区与烟道相连，空气流通区与风道相连。装有受热面的转子由电 机通过传动装置带动以2 4 r m i n 的转速旋转。因此受热面不断地交替通过烟气流 通区和空气流通区。当受热面转到烟气区时，烟气自上而下交替通过烟气流通区和 空气流通区。当受热面转到烟气流通区时，烟气自上而下流过受热面，受热面吸收 烟气热量而被加热；受热面转到空气流通区时，受热面把蓄积地热量自下而上流动 的空气。这样循环进行下去，转子每转一周就完成一个热交换过程。由于烟气容积 流量比空气大，故烟气通道占转子总截面积地5 0 左右，而空气通道仅占3 0 - - 4 0 ，其余部分为两者之间地密封区。 风罩转动的回转式空气预热器由静子、上下烟道、上下风道、上下风罩以及传 动装置等部件组成。静子部分结构与受热面回转式空气的转子相似。但在这里它是 固定不动的，故称静字或定子。上下烟道与外壳相连接。静子的上下两端面装有可 转动的上下风罩。上下风罩用中心轴相连。电机通过传动装置带动下风罩旋转，上 风罩也跟着同步旋转。上下风罩里的空气通道是呈相对的“8 字形。他将静子的 截面分成三部分：烟气流通区、空气流通区和密封区。冷空气经下部固定冷风道进 入旋转的下风罩，裤衩型的下风罩把空气分成两股气流，自上而下流经静子受热面 7 华北电力大学硕士学位论文 而被加热。加热后的空气由旋转的上风罩汇集后流往固定的热风道。烟气在风罩以 外的区域也分成两部分自上而下流经静子，加热其中的受热面。这样当风罩转动一 周，静子中的受热面进行两次吸热和放热。 2 1 2 三分仓回转式空器的特点 受热面回转式空气预热器受热面在传动装置带动下按一定的方向旋转，烟风道 保持不动。运行过程中空气和烟气交替通过受热面进行热交换。当烟气通过受热面 时，将热量传递给垂直波纹板蓄存起来。当冷空气通过受热面时，受热面波纹板将 蓄存的热量传递给空气，完成连续传热。最终使空气温度升高到设计要求。三分仓 指的是介质流通面由烟气、一次风、二次风三部分组成。其特点是将低压头大流量 的二次风和高压头小流量的一次风分开加热，实现风机的合理配置。电厂空预器 烟气自上而下流过受热面，而一、二次风流向则与烟气流动方向相反，形成逆流换 热。 不可否认，回转式空气预热器具有制造工艺复杂、漏风量大、易于积灰等缺点。 所以在回转式空气预热器系统中通常设计有一整套维护和调节控制系统，以确保回 转式空气预热器在安全经济条件下运行。国内运行经验表明，管式空气预热器腐蚀 速度较回转式为快，这是因为管式空气预热器最低壁温比回转式的低。管式空气预 热器的最低壁温川如式( 2 1 ) 所示： 管式空气预热器的最低壁温为： 瓦沪坚咝 ，(2-1) ， = l _ = 一 j 。b 攀0 ，9 5 a 。j + 仅。 式中， 瓦f 一管式空气预热器的最低壁温，； 彰一管式空气预热器的出口烟温，； f 一管式空气预热器的进口空气温度，； 口。一管式空气预热器烟气侧的换热系数，w ( m 2 ) ； 一管式空气预热器的空气侧的换热系数，w ( m 2 ) 。 公式中系数0 8 和0 9 5 是考虑管子的沾污影响以及空气预热器出口烟气温度场 不均匀性的影响。 回转式空气预热器中，不置换的“热”段最低壁温按下式进行校核： r b h z ：皇堡竺墨型 ( 2 2 ) x v 仅v + x k 。c k 华北电力大学硕士学位论文 式中，瓦舡一回转式空气预热器的最低壁温，； 乡! 一回转式空气预热器热段的出口烟气温度，； t k 。一回转式空气预热器热段的进口空气温度，； x ，一回转式空气预热器的烟气侧份额，； x 。一回转式空气预热器的空气侧份额，； 口，一回转式空气预热器的烟气侧的对流放热系数，w ( m 2 ) ； 口。一回转式空气预热器的空气侧的对流放热系数，w ( m 2 ) 。 回转式空气预热器的缺点就是漏风较大，需要传动装置及消耗电能等。对大容 量锅炉来说，采用回转式空气预热器，其优点是显著的，故得到广泛应用。 2 2 回转式空气预热器的主要结构 2 2 1 转子 本空气预热器( h o w d e n2 7 v n t l 7 5 0 ) 采用模数仓格结构，全部蓄热元件分装 在扇形仓格内，每个模数仓格利用一定位销和固定销与中心筒相连，中心筒上、下 两端分别用合金钢螺栓相连接、整体形成预热器的旋转主轴，相邻的模数仓格之间 用螺栓相连，外周下部装有一圈传动围带，围带也分成若干段，热段蓄热元件由模 数仓格顶部装入，冷段蓄热元件由模数仓格外周上所开设的门孑l 装入。 2 2 2 传热元件 冷殷星一 猃戥飘弦 调换方向一 图2 1 传热元件细部图 传热元件是紧密地排列在篮子框架中的成波形的金属薄板如图2 1 ，篮子框架 9 华北电力大学硕士学位论文 以两层或更多层叠放在转子的格仓中。一般分三层，由下至上分别命名为冷段层、 热段中间层和热段层。 由于预热器的传热元件布置紧密，工质通道狭窄，所以，在传热元件上易积灰， 甚至堵塞工质通道，致使烟空气流动阻力增加，传热效率降低，从而影响预热器的 正常工作。故必须经常吹灰和定期清洗。 相比较而言，冷段元件比热段元件更易积灰，所以，对冷段元件的调换采用旁 移式，即可以通过外壳上的检修门取出，以便传热元件本体外清洗或调换。 传热元件的清洁方法有吹灰和水冲洗两种，当冷端传热元件的一端钢板厚度减 薄至原厚度的三分之一时，可翻转篮子框架，与相邻对称格仓内的对应篮子框架交 换倒置使用，可以延长传热元件的使用寿命。 蓄热板有两种类型：一种是波形板，一种是定位板，二者相间地放( 安转时用 钢丝扎好放入转子的空格里) 。这样的蓄热板( 我国采用的) 当量直径是0 0 0 9 3 2 m m 。 2 2 3 主轴 图2 - 2 主轴元件细部图 在结构上如图2 2 所示，它是由三段组成，即上段短轴，中间转子、下段空心 轴。由于上部短轴与下部空心轴根本无法保证同轴度，输入的扭矩又是从上部传递 下来的，因此整个空气预热器转动装置在空间是舞动扭摆转动的。空预器还能转， 是因为： ( 1 ) 转子转速很低，最大外圆处的速度仅为4 5 米分钟，相当于人的正常步行 速度，离心力可以忽略不计。 ( 2 ) 空预器转子的重心落在推力轴承直径之内。 短轴的材质是4 0 c r m n m o ，联接螺栓材质也为4 0 c r m n m o ，而空气预热器的转 子材质为低碳钢。空预器的输入扭矩是通过短轴直接传递到转子上，再由转子传到 空心轴上。空预器短轴的屈服极限仃。为5 8 0 - - 一，7 2 0 m p a ，空气预热器螺栓的屈服极限 1 0 华北电力大学硕士学位论文 可达到8 3 5 m p a ，而转子材料的屈服极限不超过1 8 0 m p a 。 在设计上，首先空气预热器转子是不能被损坏的，有一个能够出现损坏的现象 又不会影响到运行的部位只能是短轴，换句话说，短轴的材质应该低于空气预热器 转子材质，其强度寿命只要保证在超过一个大修周期即可。 如果把空气预热器转动装置设计分成三段，为了保证安全运行，在三段相互连 接处必须是完全加工面，而且加工精度要求比较高，同时机械性能要求也比较高， 空气预热器转子4 , - 一5 年后就可能产生严重的损坏。例如，在螺栓联接处的转子部 件可能出现裂纹；整个转子将出现严重的麻花状。 2 2 4 空气预热器的驱动装置 为保证空气预热器安全稳定的运行，一般配置为每台空气预热器有两套电动机 驱动装置和一套气动马达装置。在两套电动机驱动装置中，一套为主驱动电动机， 主驱动电动机的电源为厂用电源：另一套为辅助驱动电动机，辅助驱动电动机的电 源为保安电源。正常工作时，主驱动电动机运行，辅助驱动电动机备用，当厂用电 消失时，辅助驱动电动机自动运行。维持空气预热器的低速旋转。当两套电机均无 法启动时，气动马达装置自动启动，维持空气预热器转动。 2 3 回转式空气预热器在我国的技术现状 近年来，大、中型锅炉普遍采用回转式空气预热器。从统计结果来看，1 9 9 5 年 底以前国内3 0 0 m w 及以上燃煤机组锅炉大部分采用回转式空气预热器，其中采用 三分仓受热面回转的空气预热器的锅炉为4 5 台，占所统计的6 2 台锅炉的7 3 ，采 用风罩回转的诺特谬勒式空气预热器的锅炉为1 7 台，占2 7 。从国产设备来看， 风罩回转的空气预热器的漏风率均大于受热面回转的空气预热器，而对有些进口设 备来说，回转式空气预热器漏风率的大小则与空气预热器的形式没有太大的联系。 由于国产金属材料及工艺水平等的限制，加之空气预热器安装施工等诸多原因，某 些国产的回转式预热器的漏风比较大。 运行一段时间后，由于一次风漏风逐渐增大，以致机组一次风机容量严重不足， 较长时间限制出力运行。若漏风问题得不到彻底解决，就不得不增大一次风机和引 风机的容量，增加送引风机电耗，从而使锅炉经济性和安全性下降。 根据国内机组运行的经验，大部分进口机组的回转式空气预热器漏风相对较小， 如华能福州电厂3 0 0 m w 机组锅炉为了与冷一次风机系统配合采用三分仓结构回转 式空气预热器，配置了热态下可跟踪的密封间隙调节装置，性能考核时漏风在保证 值8 以内，经过1 年的稳定运行后，漏风率为1 1 1 4 ；沙角b 电厂3 5 0m w 锅炉采用风罩回转的空气预热器，漏风率设计值折算为8 2 ，一般运行保持在1 1 1 1 华北电力大学硕士学位论文 1 8 之间。回转式空气预热器运行过程中另一个主要问题是堵灰和低温腐蚀。 由于大型电站锅炉设计排烟温度一般低于1 3 0 ，实际运行过程中的排烟温度还要 低，因而空气预热器冷端受热面的壁温较低，容易产生低温腐蚀，使受热面沾污和 积灰，堵灰反过来又影响受热面的传热，进一步降低受热面的金属壁温，从而加剧 空气预热器冷端受热面的低温腐蚀，两者是相互影响的。堵灰和低温腐蚀不仅影响 受热面的传热，使排烟温度升高，降低锅炉的经济性，而且还将引起烟道阻力剧增， 致使引风机过载，制约锅炉出力，严重时则需停护冲洗，若堵灰问题得不到根治， 也要求增大引风机的容量，增加引风机的电耗，否则，影响锅炉出力，降低锅炉经 济性。因此，回转式空气预热器的堵灰和低温腐蚀直接危及锅炉的正常运行，必须 引起足够的重视。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章三分仓回转式空气预热器热力计算模型 本章从回转式空气预热器的工作机理出发，参考前人提出的热力计算模型。建 立了能量平衡方程与传热方程联立求解的温度计算模型，计算工作量小。具有良好 的通用性，且模型形式比较简单、便于应用，并且给出了非稳态换热系数万的计算 模型比热力计算标准具有更好的机理性和广泛适用性，能够对三分仓回转式空气预 热器的各种工况进行计算。从而对暖风器的投运具有指导意义，从而避免了冷段低 温腐蚀。 3 1 烟气空气的对流换热模型 关于回转式空气预热器空气、烟气逆流换热的模型的建立和求解，很多学者都 做了深入的分析。k l i n k k e n b e r 和h a r m e r s 【体儿1 9 】提出了热极点法求解相互耦合的流体 换热模型。b a c l i c 和g v o z d e n a c 2 0 儿2 1 j 利用两个相似函数求解显形式的逆流换热器流 体温度分布。国内学者通常采用单一的数值迭代法来求解回转式空气预热器的换热 方程【2 2 】1 2 3 1 。文献2 4 1 提出一种拉普拉斯法求解空气预热器换热方程。总之，逆流换热 模型相对成熟。对模型求解的方法却各具特色：单一的数值迭代法的特点是速度快， 但计算程序对步长的选取较为严格且工程计算精度不高；函数转化法【2 5 j 的特点是将 时间域和空间域同时转化成s 域进行分析，繁琐复杂，仿真结果适用范围小。对于 仿真模型选取方面：多数文献常选用两分仓建模，而且只给出稳态时出口处的金属 蓄热板、空气、烟气温度；文献1 2 6 j 虽然采用三分仓回转式空气预热器建立模型，但 是为了求解方便仍采用二分仓进行仿真。很多学者主要针对转子冷端面金属壁温进 行数值模拟，对回转式空气预热器内部分布却很少报道。实际上回转式空气预热器 内部温度分布对机组的安全性、经济性具有很重要的影响。 3 1 1 冷热流体逆流换热模型 由于回转式空气预热器金属蓄热板为大面积薄壁元件，物性均一，所以在推导 流体与金属蓄热板之间换热的数学模型前，首先对金属蓄热板和冷热流体作几点假 设【2 7 】： 1 、蓄热板是由多个彼此平行的金属薄板组成，假定金属蓄热板壁足够薄，忽 略蓄热板沿厚度方向的温度分布。 2 、流体在蓄热面上均匀换热，与二者对流换热相比，蓄热板导热和流体自身 导热部分可以忽略。 3 、在回转式空气预热器所处的温度范围内，流体的热物理特性参数随温度变 1 3 华北电力大学硕七学位论文 化不大，认为只是流体平均温度的单值函数。 4 、回转式空气预热器密封良好，冷热流体的漏风只存在携带漏风，转子与外 界环境之间没有换热过程。 现取单位长度的金属蓄热板，其质量为m ，流体和蓄热板之间的对流换热系数 用口表示，二者换热面积为a ，水利直径为d 。，平行于来流方向取控制单元体血， 截面积为a ，流体的质量流速为m ，且入1 2 参数用i 表示，出1 2 1 参数用o 表示，在f 时 刻，计算控制体模型如图3 一i 所示： “体诅胜0 一 ( 口国 善! 彰 固晒 图31 计算控制体模型 图3 - i 中，计算控制体的内能为口p 爿，a z ，根据能量守恒定律，内能的变化率 等于外界对控制体的放热量，因此，可有等式： c 。p 蓑a ：缸+ c ，篆e ：缸= c m 9 。- m o o o + q d m 址( 3 - i ) 回转式空气预热器内部，冷、热流体与金属蓄热板逆流换热的微分方程可以简 写为： ! 辈盟： 。 。( ) 一只( ) 】( 3 - 2 ) 塑沪= i l o o ( ) - r l n x ) 】( 3 - 3 ) f r = r pz = z l ( o t s l ；0 x 1 1 卜薏去，小差知埘 。4 式( 3 - 2 ) 和式( 3 3 ) 中， o 一为金属板温度，； 以为烟气( 或空气) 温度，： l 矿羞 华北电力大学硕士学位论文 r 一为相对时间； x 一为相对长度； f 一旋转的时问，s ； z 一距离回转式空气预热器底面的高度，m ； 一回转式空气预热器的高度，m ； 兀。一为单元当量周期 人。一单元当量长度 p 一为转子的旋转周期，s ； n 一代表第n 个换热单元： j 一代表金属蓄热板； ，= 1 一代表烟气加热区； ，= 2 一代表一次风或二次风冷却区。 离散量化法的原理是将回转式空气预热器沿长度z 方向等分成个单元，即烟 气入口端面为0 ，出口端面为，在每个单元中可以认为蓄热板及流体的动态换热 过程的物性参数只是温度的函数，利用数学方法求解出每个单元蓄热板和流体温度 解析表达式，而对于整个空气预热器长度方向仍然采取数值迭代的格式。分析可知 对于每个划分单元有： x n = 麟0 以n a x = 1 n 应用复化梯形差分公式将逆流换热方程离散化乜町： 幺+ l ( f ) = u n 幺( ，) + o 肿l ( f ) + 。( ，) 0 刀n 一1 在式( 3 6 ) 中，系数u 。、v 。和的表达式为： 2 一a x a 。 2 百瓦毒 ，一a x a 肘i 驴斌 3 1 2 离散量化法应用实例 = 万a 面x a i ( 3 5 ) ( 3 6 ) 离散量化法的仿真对象选择两分仓回转式空气预热器的稳定工况，并将蓄热板 冷、热周期划分为5 0 个单元，文献2 2 1 采用不同的测点位置和不同的暖风器开度得 到回转式空气预热器金属蓄热板低温段温度变化曲线；图3 2 ，3 3 是文献【2 9 】采取基 于将传热方程无量纲化的处理方式。图3 - 4 选取了文献【2 2 】中采用不同测点不同暖风 器开度下金属蓄热板冷段温度分布。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 无量纲时间r 图3 - 2 出口烟温与出口空气温度随运行周期的变化曲线图 无o 里 纲 凄o 0 o o 1 i t 爝气霸遴翻葶均凌屣滋发 2 空气锚遴弱簪均垒缡邂鹱 吝爝气铭獭矗乎姆龛弱镶理 事空气糟凇嚣乎均龛褥缀鹱 v 客1 2l 舔 无量纲时间才 图3 - 3 烟气侧空气侧进出口金属平均温度随时间变化图 文献【2 2 j 选择的试验模型为北仑电厂6 0 0 m w 三分仓回转式空气预热器，图3 4 选择的试验工况分别为4 1 0 m w 、6 0 0 m w ，暖风器在不同开度下的金属蓄热板冷端 面温度实际测量值，从测量结果可以看出，金属温度呈周期性变化，在进入烟气通 道时，金属蓄热板受到烟气的加热，测点温度逐渐升高，温度与旋转周期近于线性， 进入空气通道之前达到最大值，进入空气通道后，金属蓄热板放出热量，各个测点 所测的金属蓄热板冷端面温度逐渐减小，温度的下降也近似于线性。整个旋转周期 各个测点测得的金属温度变化平缓。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 l 的 ；j 奄l l o 憝 朔 羹8 0 糖 缝 镧 03 6 7 21 0 8 1 4 4 1 8 02 1 6 巧22 8 83 2 43 6 0 03 6 21 0 8 1 4 4 i r 02 1 62 5 2 嫩埘瑚 旋转翅凌妒1 1旋转角度咖栩 3 4 文献阳1 采用不同测点不同暖风器开度下金属蓄热板冷端温度分布图 从图3 4 可以发现，随着暖风器开度的增加，冷端受热面温度明显增加，当暖风器 开度从0 - 6 0 ，冷端金属温度有很大的增幅；在暖风器从6 0 1 0 0 时，冷端面金属温度 变化不大，虽然冷端金属温度有所提高，但是温度增长率比前者低很多。从图3 4 右图 可以看出，负荷的改变对空气预热器冷端温度的影响不大，负荷提高，冷端金属温度也 有所提高，但提高的幅度不大，试验中的测点5 在暖风器全开时可以提高冷端金属蓄热 板温度1 5 2 0 。文献【2 2 1 的结果分析是基于试验工况的测量结果提出的，热电偶的布 置位置是否合理，以及暖风器的开度是否与机组的负荷匹配综合考虑都将使文献【3 5 】得到 的结论存在一定的局限性，其结果也只能作为三分仓回转式空气热力计算结果的试验验 证。 文献【2 9 】中，无量纲温度的定义表达式为： ，r 一口 a ：二一二盟一 ( 3 7 ) 包l 一包2 式中，可以表示为金属蓄热板温度，图3 5 描绘了冷、热端面处无量纲温度a = 0 2 、 0 4 、0 6 、0 8 时，金属板温度0 及流体温度0 的关系曲线。 从上面两个仿真实例可以看出，文献 2 2 1 要求在回转式空气预热器冷端面布置测 点，然后通过几个测点的温度分布情况，利用经验公式来估算最低温度点，故不能 反映金属板全工况实际的温度分布，存在一定的局限性； 3 1 3 回转式空气预热器的仿真模型 回转式空气预热器的工质状态参数随时间和位置而变化，