基于效能-傳熱單元數(shù)的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器換熱性能計(jì)算方法

李 楊，井新經(jīng)，王宏武，周元祥，張 奔，羅樹(shù)林

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基于效能-傳熱單元數(shù)的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器換熱性能計(jì)算方法

李 楊1，井新經(jīng)1，王宏武1，周元祥1，張 奔1，羅樹(shù)林2

（1.西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能伊敏煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100）

針對(duì)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）換熱效率計(jì)算，提出了一種不需要煙風(fēng)流量熱容比修正曲線的近似方法，煙風(fēng)流量熱容比修正曲線在PTC 4.3的空預(yù)器效率計(jì)算中是必須的，但又是難以得到的。本方法以效能-傳熱單元數(shù)原理為基礎(chǔ)，通過(guò)分析大量的、涵蓋多種煤質(zhì)和多種容量的鍋爐空預(yù)器設(shè)計(jì)參數(shù)，得到不同傳熱單元數(shù)下的空預(yù)器效能和煙風(fēng)流量熱容比的關(guān)系，進(jìn)而建立了空預(yù)器換熱效率的計(jì)算模型。以某機(jī)組的空預(yù)器改造為例，采用該模型計(jì)算了空預(yù)器換熱效率，得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，與設(shè)計(jì)值和實(shí)際情況相符。

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器；效率；模型；煙風(fēng)流量；熱容比；傳熱單元數(shù)；鍋爐

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）的換熱效率是評(píng)價(jià)空預(yù)器換熱能力的重要指標(biāo)，是空預(yù)器考核和改造的依據(jù)。換熱效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)遵循ASME PTC 4.3[1]，但在該標(biāo)準(zhǔn)中，煙風(fēng)流量熱容比（XR）的修正規(guī)定較為模糊，且需要空預(yù)器廠家提供的XR修正曲線，而該曲線廠家很少提供，導(dǎo)致該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)很難應(yīng)用到大多數(shù)空預(yù)器效率分析中。而忽略XR的修正，對(duì)空預(yù)器效率影響較大，這主要是由于煙氣量和空氣量的比例發(fā)生變化，導(dǎo)致空預(yù)器效率較難準(zhǔn)確分析。例如：由于系統(tǒng)阻力的偏差，導(dǎo)致 2臺(tái)空預(yù)器的煙氣量不均勻或2臺(tái)送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量不均勻；由于燃煤煤質(zhì)與設(shè)計(jì)值偏差較大，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)冷風(fēng)摻入量與設(shè)計(jì)值偏差較大；由于爐膛漏風(fēng)，導(dǎo)致冷風(fēng)摻入量與設(shè)計(jì)值偏差較大；由于空預(yù)器漏風(fēng)較大，導(dǎo)致空預(yù)器煙氣量和空氣量的比例發(fā)生變化。部分電廠并不能相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算空預(yù)器換熱性能，相應(yīng)的空預(yù)器性能改造后（例如：更換蓄熱元件，密封調(diào)整等）出現(xiàn)了不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)或不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)改造效果的情況。

目前，對(duì)于空預(yù)器換熱性能研究集中在空預(yù)器的熱力計(jì)算方面[2-12]，而在空預(yù)器的換熱能力評(píng)價(jià)方面的研究較少。文獻(xiàn)[13]通過(guò)測(cè)試空預(yù)器進(jìn)出口煙氣和空氣流量、溫度等參數(shù)，結(jié)合空預(yù)器生產(chǎn)廠家提供的熱力特性修正曲線，對(duì)空預(yù)器的XR、空預(yù)器入口煙氣流量進(jìn)行修正后，得到了空預(yù)器改造后修正到設(shè)計(jì)條件下的換熱能力。

因此，針對(duì)目前空預(yù)器評(píng)價(jià)中存在的問(wèn)題，本文試圖建立一種空預(yù)器性能的評(píng)價(jià)方法，將空預(yù)器看作標(biāo)準(zhǔn)逆流換熱器，在缺少空預(yù)器的XR修正曲線的情況下，對(duì)空預(yù)器性能進(jìn)行計(jì)算。若考慮回轉(zhuǎn)式空預(yù)器存在煙氣側(cè)停留時(shí)間和空氣側(cè)停留時(shí)間，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器并不完全等同于標(biāo)準(zhǔn)換熱器，但可近似將標(biāo)準(zhǔn)換熱器的分析方法應(yīng)用在這種空預(yù)器上。因此，基于效能-傳熱單元數(shù)（NTU）原理，本文提出了XR修正方法，從而得到空預(yù)器的換熱效率計(jì)算方法。

1 理論模型

在ASME PTC 4.3中，煙氣側(cè)換熱效率是空預(yù)器性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)。該效率為煙氣溫度在空預(yù)器中的降幅（修正到無(wú)漏風(fēng)條件）與空預(yù)器最大溫壓的比值：

式中：y,i為空預(yù)器入口煙氣溫度，℃；y,o為空預(yù)器出口煙氣溫度，℃；k,i為空預(yù)器入口空氣溫度，℃；y為空預(yù)器換熱效率（煙氣側(cè)效率），%。

空預(yù)器煙風(fēng)流量熱容比（XR）定義為流過(guò)空預(yù)器的空氣的熱容量（質(zhì)量流量乘以比熱容）與煙氣的熱容量的比值[1]：

在換熱器效能-傳熱單元計(jì)算中，對(duì)于空預(yù)器而言，空氣的溫升大于煙氣的溫降，因此，空預(yù)器的效能按下式定義：

由式(1)—式(3)可知，

可將空預(yù)器當(dāng)作逆流布置的換熱器，根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]，結(jié)合式(2)，可得空預(yù)器的效能為

其中，

式中：為空預(yù)器煙氣-空氣換熱系數(shù)，W/(m2·K)；為空預(yù)器換熱面積，m2。

根據(jù)式(5)，只要確定空預(yù)器NTU，即可得到和XR的關(guān)系。

而對(duì)于NTU，是換熱器設(shè)計(jì)中的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，可看作空預(yù)器值大小的度量。針對(duì)大量的、涵蓋多種煤質(zhì)和多種容量的鍋爐空預(yù)器設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算了多個(gè)空預(yù)器NTU設(shè)計(jì)值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同機(jī)組空預(yù)器NTU數(shù)值

Tab.1 The NTU value of air preheaters in different units

針對(duì)上述不同的NTU，計(jì)算了d/dXR，如圖1所示。

圖1 不同NTU下，XR和dε ?dXR的變化關(guān)系

由圖1可見(jiàn)，對(duì)于給定的NTU值，d/dXR隨XR變化曲線幾乎呈線性。這樣，空氣預(yù)熱器XR修正可由式(7)表示，其中下角標(biāo)d、r分別代表設(shè)計(jì)條件和實(shí)際條件。

其中：(NTUd, XRd)由式(8)得到，

需要注意的是，本文所述方法的前提條件是所有空預(yù)器進(jìn)出口溫度均應(yīng)按照ASME PTC 4.3修正到無(wú)漏風(fēng)條件下；三分倉(cāng)空預(yù)器的空氣進(jìn)出口溫度為一次風(fēng)和二次風(fēng)的加權(quán)平均。

2 計(jì)算實(shí)例

某電廠1、2號(hào)機(jī)組空預(yù)器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，堵塞、積灰和破損情況較為嚴(yán)重。電廠首先對(duì)2號(hào)機(jī)組空預(yù)器進(jìn)行了更換堵塞、破損蓄熱原件及調(diào)整密封間隙等改造。改造完成后，由于2號(hào)機(jī)組空預(yù)器漏風(fēng)率小于1號(hào)機(jī)組，同時(shí)1號(hào)機(jī)組摻燒部分褐煤，制粉系統(tǒng)冷風(fēng)摻入量較小，導(dǎo)致2號(hào)鍋爐排煙溫度較1號(hào)鍋爐反而偏高約5 ℃。為了評(píng)價(jià)2號(hào)鍋爐空預(yù)器改造效果，采用本文計(jì)算方法對(duì)1、2號(hào)鍋爐空預(yù)器額定負(fù)荷工況下的換熱效率G進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn) 表2。由表2可見(jiàn)：1）若不進(jìn)行XR修正，1、2號(hào)鍋爐空預(yù)器換熱效率在63%~64%，與設(shè)計(jì)值偏差較大，同時(shí)，完全不能體現(xiàn)2號(hào)機(jī)組空預(yù)器改造的效果；2）經(jīng)過(guò)本文的方法修正后，2號(hào)鍋爐空預(yù)器換熱效率約為67.4%，與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，與改造目標(biāo)相符，而未改造的1號(hào)鍋爐空預(yù)器換熱效率約為65.3%，低于設(shè)計(jì)值和2號(hào)鍋爐，與實(shí)際情況相符；3）通過(guò)本文的方法可知，1百分點(diǎn)的空預(yù)器換熱效率影響排煙溫度3~4 ℃，可以預(yù)測(cè)，1號(hào)鍋爐采用同樣的改造方案，排煙溫度的下降空間約為7 ℃，折合發(fā)電煤耗約為1.0 g/(kW·h)。

表2 某電廠1、2號(hào)鍋爐空預(yù)器設(shè)計(jì)及運(yùn)行換熱效率

Tab.2 The design and operation efficiency of air preheaters in No.1 and No.2 boiler of a power plant

3 結(jié) 論

1）本文建立了回轉(zhuǎn)式空預(yù)器效率的近似計(jì)算模型，該模型在不需要設(shè)計(jì)的XR修正曲線下，可較為準(zhǔn)確地判斷空預(yù)器換熱效率，為空預(yù)器性能改造效果評(píng)價(jià)和評(píng)估提供了簡(jiǎn)單有效的計(jì)算方法。

2）實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明，改造后的空預(yù)器換熱效率與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，高于未改造空預(yù)器，結(jié)果與實(shí)際情況相符。

3）本文所提出的XR修正方法，無(wú)意替代ASME PTC 4.3，但可作為判斷空預(yù)器是否需要進(jìn)行性能提升改造的依據(jù)。

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Calculation method for heat transfer efficiency of rotary air preheaters based on effectiveness-NTU

LI Yang, JING Xinjing, WANG Hongwu, ZHOU Yuanxiang, ZHANG Ben, LUO Shulin2

(1. Xi’an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2 Huaneng Yimin Coal and Electricity Co., Ltd., Hulunbei’er 021100, China)

The correction curves of heat capacity ratio of flue gas flow rate are necessary in heat transfer efficiency calculation for rotary air preheaters according to the PTC 4.3, but it is difficult to obtain. In this paper, an approximate method was proposed, which does not require the correction curves. On the basis of the effectiveness-NTU (number of transfer units) method, this method analyzes a large number of design parameters of air preheaters covering a variety of coal qualities and capacities, and obtains the relationship between the efficiency of air preheater and the heat-capacity ratio of flue gas flow and air flow with different heat transfer units, then it establishes the calculation model for heat transfer efficiency of air preheaters. Finally, this method was applied to calculate the heat transfer efficiency of air preheaters in a power plant, the results are consistent with the design and actual operation situations, indicating this method is relatively accurate.

regenerative air preheater, efficiency, model, gas and air vdume, heat capacity ratio, number of transfer units, boiler

TK123; TK223.3+4

A

10.19666/j.rlfd.201803005

李楊, 井新經(jīng), 王宏武, 等. 基于效能-傳熱單元數(shù)的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器換熱性能計(jì)算方法[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(1): 73-76. LI Yang, JING Xinjing, WANG Hongwu, et al. Calculation method for heat transfer efficiency of rotary air preheaters based on effectiveness-NTU[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 73-76.

2018-03-18

李楊(1978—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力工程及工程熱物理，liyang@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）