回轉式空氣預熱器溫度場自校正計算方法

袁海旭

內蒙古大唐國際錫林浩特發電有限責任公司 內蒙古錫林郭勒盟 026000

目前，大多數電廠鍋爐中使用的是常見的管式空氣預熱器，這種預熱器的應用優勢在于能夠借助熱量導管將熱量持續不斷的輸送到空氣中，實際上，這是一種間接的預熱方式，還有一種回轉式空氣預熱器，在電廠鍋爐中對于應用也比較普遍。這類預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行交替，這樣就能讓煙氣中的熱量傳輸到受熱面上，使得受熱面的溫度上升，并對于熱量不斷進行儲蓄。最后在空氣流經受熱面的情況下，向空氣傳輸熱量，使空氣溫度上升。相對于管式空氣預熱器，這種預熱器的優勢在于直接傳熱，效率較高，而缺點則是漏風嚴重，嚴重漏風的情況下，會造成20%以上的漏風量，影響傳熱效率的提升。回轉式預熱器的結構也比較繁復，對于具體的生產制造技術要求比較嚴格，在具體的使用中，一旦出現問題，維修起來也十分不便，其熱自動控制效能往往也不好，這樣就導致預熱器入口風壓下降，煙氣排放溫度低，鍋爐的熱工作效率不理想，且使用中會出現更多燃煤損耗，導致鍋爐的額定負荷難以達到。

1 三分倉回轉式空氣預熱器傳熱模型

為了有效研究回轉式空氣預熱器溫度場自校正計算能力提升，促進空氣預熱器在溫度場控制中發揮有效作用，以300MW三分倉回轉式空氣預熱器為研究對象，構建微元法模型，借助模型在線辨識參數，促進模型自適應空預器性能變化。模型中輸出的溫度場能夠有效的對于空氣預熱器的具體運行狀態進行顯示，對于提升電廠安全生產管理效益具有重要作用。

1.1 傳熱原理

回轉式空氣預熱器對于提升電廠的鍋爐工作效率具有積極作用，這一空氣預熱器能夠借助鍋爐尾煙氣對于一次、二次風進行預熱，是鍋爐尾部關鍵的受熱面，下圖1為三分倉回轉式空氣預熱器圖示：

圖 三分倉回轉式空氣預熱器結構圖

一般來說，在具體的設計中，這類回轉式空氣預熱器會被等分成24、36或是48個扇形倉，每一個分層都是幾個扇形倉構成的，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順序可以分成高溫、中溫和低溫段。對于煙氣的一二次風進行逆向對流運動，當煙氣達到空氣預熱器的情況下，對于傳熱元件快速加熱，待轉子轉向空氣后端，對于傳熱元件中的熱量傳輸到空氣中，在轉子的帶動下，加熱的空氣流向另一側，未加熱的空氣持續替換加熱，實現整體空氣的加熱升溫效果。

1.2 傳熱方程

設計該空氣預熱器的傳熱方程中，先不計流體比熱容，考慮到傳熱微元尺寸很小，因此認為流體流向相同，對于系統漏風以及換熱影響也忽略不計，也不管輻射換熱情況如何，假設轉子徑向導熱率無窮大，而周向熱導率無窮小，后者更多的是個自身溫度相關的。對于回轉式空氣預熱器實施微元分割，使軸向作為等分線，保證各個分倉平均分割，構成一個個微元。

考慮到傳熱微元會遭到煙氣的沖刷，會導致兩側出現煙氣對流放熱現象，實現上下微元傳熱實現，在這一過程中，流體流經傳熱微元放熱量和傳熱微元金屬壁吸熱量相等。

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

1.3 參數校正

在系統進行初次運行后，使用單純形最優化算法對氣體對流放熱系數修正因子K1和金屬攜帶熱量增量修正因子K2進行辨別，具體的目標函數為：

其中，N 為煙氣分倉數目，tout 為各分倉氣體出口溫度實測值，tout 為算法計算值。當流體仿真出口溫度與實際值偏差超過預定值時，對 k1 和 k2 重新認識，這樣就能實現自適應效果，真正發揮自校正功能作用，還能有效將系統參數時變影響全部消除。此時，如果設備結構參數發生變化，依然可以對于相關設備的運行狀態實行有效監督。

2 實驗驗證

為了進一步驗證這一設計模型的有效性，筆者從DCS系統數據庫中選取了兩組數據進行對比分析。針對第一列選取的數據進行對比分析，可得出空氣對流換熱系統修正因子以及金屬轉動攜帶的熱量增量修正因子。而針對第二列數據進行對比分析得出，各個分倉出口溫度和算法輸出溫度對比。

表1 實驗測試數據及算法輸出結果

由表可以看出，在煙氣倉出口的不同位置上的不同溫度監測點上，仿真平均出口溫度與測點平均值溫度之差均在 5 ℃范圍內，這一點完全符合精度計算的要求。根據實驗，能夠判斷出流體溫度場在相關邊界位置的具體變化程度，這一變化情況和實際情況比較接近。

借助這種回轉式空氣預熱器溫度場自校正計算方法應用，能夠有效改善系統的運行狀態監督模式，能夠對于系統的運行狀態進行實施有效的監督，對于空氣預熱器的運行狀況進行把握，及時發現空氣預熱器的故障問題，做好防范措施，切實提升系統的安全運行效率，保證電廠的安全電力生產目標實現。此外，預熱器性能的關鍵問題是：振動噪聲漏風、腐蝕和堵灰，除了要做好相應的在線監測工作外，還需要針對管式空氣預熱器進行設計制作中，能夠確保科學的進行空氣流速控制，合理設計相應的尺寸大小，還可以考慮通過安裝防震隔板的方式，避免出現空腔共振的現象，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，還要考慮到回轉式空氣預熱器的漏風問題是急需要解決的問題之一，必須要做到對于回轉式空氣預熱器進行設計、制造、安裝整個流程的優化。

3 總結

研究以300MW電廠三分倉回轉式空氣預熱器為例，構建了相關微元的能量守恒以及質量守恒方程。模型輸出空預器內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于空氣預熱器中的具體運行狀態進行顯示，和實際情況保持一致。在確保相關的參數相同的前提下，能夠基本實現校正效果，可以滿足不間斷監控需要，對于提升電廠的安全工作具有重要意義。