三分仓空气预热器热力计算的简化方法

李 杨， 周元祥， 谢 天， 江 浩， 黄嘉驷， 常东锋， 王 浩， 李 欣

（西安热工研究院有限公司，西安 710032）

对于回转式空气预热器的热力计算，目前应用较为广泛的是《锅炉机组热力计算标准方法》［1］中的计算方法，该方法清晰、准确地描述了二分仓空气预热器的换热过程.基于该方法，冷伟等［2］提出了一种改进回转式空气预热器的热力计算方法，该方法既适用于二分仓，也适用于三分仓，具有计算工作量少和精度高的特点；阎维平等［3］提出了电站锅炉三分仓回转式空气预热器的热力计算方法，该方法计算简便，具有较高的计算精度；周俊虎等［4］提出了不涉及转子本身热力参数的计算方法.

然而，在实际应用《锅炉机组热力计算标准方法》中的计算方法及相应许多改进方法时，需要确定烟气侧和空气侧传热系数，这与烟气和空气的流速和温度，冷端和热端蓄热元件的板型、结构和材质等参数密切相关.当空气预热器发生堵灰或蓄热板沾污时，这些因素对烟气侧和空气侧传热系数的影响程度难以确定，从而影响了热力计算结果的准确性.

根据《锅炉机组热力计算标准方法》中回转式空气预热器的计算方法和空气预热器的实际运行情况，结合空气预热器设计参数，笔者提出了空气预热器热力计算的一种简化方法，该方法可以避免求解空气侧与蓄热元件和烟气侧与蓄热元件间的传热系数，可直接求解烟气侧和空气侧的传热系数，从而在空气预热器进口烟气和空气温度发生变化后准确计算空气预热器出口的烟气和空气温度.

1 模型建立

随着空气预热器受热面的旋转，回转式空气预热器的金属蓄热板依次经过烟气与空气的流通通道，重复被烟气加热和被空气冷却.空气预热器实际的换热过程为非稳态周期性变化的过程.然而在实际应用中仅需要计算空气预热器出口烟气和空气的温度，根据《锅炉机组热力计算标准方法》，回转式空气预热器的热力计算采用与锅炉对流受热面热力计算相同的通用算法，计算模型为准稳态传热模型，烟气侧与空气侧热量平衡方程与传热方程均与对流受热面的计算方法相同.全部烟气以对流传热方式将热量传递给空气，其受热面积为受热元件两侧面积总和，烟气与空气进口温度之差和烟气与空气出口温度之差的平均值为传热温差.

1.1 空气预热器热平衡计算

从热平衡的角度出发，烟气释放的热量为

空气吸收的热量为

烟气传给空气的热量为

烟气－空气传热系数k可表示为

烟气（空气）与蓄热板的传热系数αy（k）为［5］

烟气在换热元件中的流速wy为

空气在换热元件中的流速wk为

式（1）～式（7）中：I′为空气预热器进口烟气焓，kJ／kg；I″为空气预热器出口烟气焓，kJ／kg为空气预热器进口空气平均温度下空气焓，kJ／kg；为空气预热器出口空气平均温度下空气焓，kJ／kg理论空气量在冷空气温度下的焓，由烟气焓温表查得，kJ／kg；θ为烟气在换热元件中的平均温度，℃ ；t－为空气在换热元件中的平均温度，℃；Δt为传热温差，由θ和t－得到，K；φ为保热系数；Bj为燃料消耗量；Δαlf为空气预热器漏风系数，%；A为空气预热器换热面积，m2；ξ为利用系数，与空气预热器漏风率相关，取值范围为0.8～0.9；Cn为不稳定导热系数，它是转子转速的函数，取值范围为0.85～1.0；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；Z为与蓄热板板型有关的系数；ddl为蓄热板的当量直径，m；l为蓄热板通道长度；Cl为ddl与l的修正系数；F为烟气流通面积，m2；f为空气流通面积，m2；Ct为与板壁及气流有关的系数，当烟气受到冷却时该系数为1；Vy为实际烟气容积；V0为理论空气容积；β″为空气预热器出口实际空气量与理论空气量的比值.

空气预热器的一般热力计算以式（1）～式（7）为基础，由于烟气放热量、空气吸热量和烟气传给空气的热量三者在实际情况下相等，因此可首先假设排烟温度然后再进行试算迭代，从而完成空气预热器的热力计算.其中，空气预热器烟气－空气传热系数是热力计算的关键参数，需要首先确定烟气和空气与蓄热板的传热系数，它们与空气预热器中的介质流量、温度和空气预热器的板型、结构、堵灰、沾污、漏风等因素有关，准确计算烟气－空气传热系数较为困难.

对于正在运行的空气预热器，进、出口的烟气温度，进、出口空气温度和漏风率是已知参数，根据这些已知参数可以得到空气预热器烟气－空气传热系数.当空气预热器入口烟气温度和空气温度发生变化时，空气预热器烟气－空气传热系数也会发生相应变化，因此若能确定影响烟气－空气传热系数发生变化的因素及其相应的变化量，就能得到烟气－空气传热系数的变化量.

1.2 参数分析

当空气预热器进口烟气温度或空气温度发生变化后，式（1）～式（7）中与空气预热器本身相关的参数均可认为是不变的，具体参数包括φ、Δαlf、A、ξ、Cn、Z、ddl、l、Cl、F、f 和Ct.

另外，当空气预热器进口烟气温度或空气温度发生变化时，在煤质变化不大、炉膛氧量不变的条件下，空气预热器出口空气量与理论空气量的比值可认为是不变的，实际烟气容积和理论空气容积也可认为是不变的.当空气预热器空气平均温度低于400℃时，空气的Pr为0.69，Pr基本保持不变.

空气预热器入口烟气温度降低，排烟温度降低，出口空气温度降低，影响了烟气－空气传热系数.排烟温度降低后，锅炉效率提高，燃料消耗量、烟气量和空气量均减小，烟气和空气在蓄热元件中的流速也减小；烟气进口温度降低会使空气预热器出口的空气温度降低，空气和烟气的物性参数会发生变化.

由大量试验和运行数据的统计结果可知，通常情况下（BRL工况）空气预热器入口烟气温度的范围为350～380℃，平均温度约为370℃.空气预热器出口的空气温度（一次风温度与二次风温度按流量加权平均得到）一般低于入口烟气温度40K左右.若以空气预热器入口烟气温度下降30K为例，假设排烟温度下降15K，空气预热器出口烟气温度仍比入口烟气温度低约40K，燃料消耗量、空气和烟气的流速、传热系数等参数的变化量如表1所示.

表1 空气预热器热力计算的相关参数Tab.1 Conditions and results of heat balance calculation for the air heater

续表

在表1中假定的条件下，当空气预热器进口烟气温度下降30K时，烟气传热系数和空气传热系数的相对减小量分别为2.105%和1.160%，将这2个值带入式（4）可得空气预热器进口烟气温度降低后的烟气－空气传热系数：

由式（8）可知，若忽略空气传热系数前面的系数1.010，则可认为当空气预热器进口的烟气温度下降30K时，烟气－空气传热系数k相对减小了2.1%.表1是当空气预热器进口烟气温度下降幅度为30 K、排烟温度下降15K时的计算结果.若空气预热器进口的烟气温度下降幅度小于30K而且排烟温度下降幅度不会达到15K时，烟气－空气传热系数k相对减小量小于2.1%.由计算可知，当空气预热器进口烟气温度下降20K时，烟气－空气传热系数k相对减小量为1.0%，燃料消耗量的相对减小量为0.4%；当空气预热器进口烟气温度下降10K时，认为烟气－空气传热系数k不变，燃料消耗量的相对减小量为0.2%.

式（5）与空气预热器的板型有关.对于其他板型，其差别主要集中在与空气预热器板型相关的系数，然而在本文所提出的计算方法中，与空气预热器板型相关的参数隐含在求解原有传热系数k和新传热系数k1的计算过程中，因此式（5）具有一定的通用性.

由此可知，在空气预热器进口烟气温度下降30 K的范围内，烟气－空气传热系数变化量较小，因此，在空气预热器进口空气温度和烟气温度变化后，只需对变化前的烟气－空气传热系数稍微进行修正，即可作为变化后的烟气－空气传热系数，这在很大程度上简化了空气预热器的热力计算过程，且计算结果的可信度较高.

2 求解方法

以空气预热器进口烟气温度的变化为例，空气预热器进口烟气温度和空气温度为已知条件，需要求解的是空气预热器出口烟气温度、热一次风温度和热二次风温度.

（1）将三分仓空气预热器的一次风和二次风作为一个整体，以空气预热器平均进风温度和平均出风温度分别作为整体空气的进风温度和出风温度，其中空气预热器平均进风温度按照空气预热器一次风和二次风进口平均质量流量加权确定

空气预热器出口空气温度按照空气预热器一次风和二次风出口平均质量流量加权确定

（2）根据空气预热器运行参数（如烟气和空气进、出口温度及其相应的焓值、漏风率和过量空气系数等），由 式 （1）～ 式 （3）确 定 （β″＋0.5Δαlf）／φ和Ak／Bj.

（3）根据空气预热器进口烟气温度的下降幅度，确定烟气－空气传热系数和燃料消耗量的修正值.

（4）假定空气预热器出口热风温度t″，并从焓温表中查得相应的焓值.

（7）在空气预热器进、出口烟气温度和空气温度已知的条件下，计算空气预热器传热温差Δt.

（8）当空气预热器进口烟气温度下降后，根据Ak／Bj，由式（3）得到烟气传给空气的热量Qch.

（9）校验Qch与是否一致，如果两者相对误差小于1%，则可以认为前面所假定的空气预热器出口热风温度t″是正确的，计算结束，得到的排烟温度也是正确的.

（10）一次风吸热量和二次风吸热量之和为整体空气吸热量.由式（2）可得一次风吸热量为

二次风吸热量为

一般而言，空气预热器一次风漏风量占到总漏风量的85%以上.因此，一次风的漏风系数应为二次风漏风系数的6～7倍，本文所采用的一次风漏风系数为二次风漏风系数的7倍，即

则有

在求解一次风和二次风出口温度时，假设一次风和二次风之间没有传热和传质.联立式（13）和式（10），可以得到热一次风温度和热二次风温度.

同理，当空气预热器进口空气温度发生变化时，可以采用类似的方法进行空气预热器的热力计算.

3 计算实例

某350MW超临界燃煤机组锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产，该机组自投运以来，锅炉排烟温度明显高于设计值，满负荷下排烟温度的实际值比设计值至少高25K，拟增加省煤器面积约35%，使进入预热器的烟气温度降低约20K，在锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况下，哈尔滨锅炉厂有限责任公司计算得到的排烟温度下降了6.9K，利用本文计算方法计算得到的排烟温度下降5.6 K，如表2所示.

由表2可知，采用本文方法计算得到的排烟温度和热风温度与哈尔滨锅炉厂有限责任公司的计算结果一致，2种方法计算结果相对误差在1%之内.

表2 排烟温度和热一次风、热二次风温度的计算值Tab.2 Calculate values of exhaust gas temperature，hot primary and secondary air temperature

4 结 论

（1）在空气预热器入口烟气温度变化后，通过对空气预热器热力计算公式参数的分析，确定了影响烟气－空气传热系数的因素及其相应的变化量，得到了烟气－空气传热系数的变化量.

（2）这种方法避免了标准计算方法中求解烟气（空气）与蓄热板传热系数的过程，尤其在空气预热器发生堵灰或蓄热板沾污的情况下，避免了标准方法中一些难以估计的参数.这些参数由实际换热效果计算得出，相当于实际测量得出，准确性大大提高.

（3）锅炉省煤器的改造实例表明，采用这种方法计算得到的排烟温度和空气温度与哈尔滨锅炉厂有限责任公司的计算结果相一致，两者相对误差在1%以内.

（4）当烟气和空气流量发生变化时，只需确定烟气和空气流量对烟气－空气传热系数的相对影响量，即可利用这种方法对空气预热器进行热力计算.

（5）当空气预热器进口空气温度发生变化时，采用这种方法可简便准确地计算出空气预热器出口烟气（空气）温度的变化，进而得到进口空气温度变化对锅炉效率的影响。

［1］古尔维奇·库兹涅佐夫.锅炉机组热力计算标准方法［M］.北京锅炉厂，译.北京：机械工业出版社，1976.

［2］冷伟，王渡.一种改进的回转式空气预热器热力计算方法［J］.动力工程，2005，25（3）：392－395.LENG Wei，WANG Du.An improved way for thermal calculation of rotary air preheaters［J］.Journal of Power Engineering，2005，25（3）：392－395.

［3］阎维平，李皓宇，黄景立，等.电站锅炉三分仓回转式空气预热器热力计算方法研究［J］.热力发电，2009，38（3）：44－47.YAN Weiping，LI Haoyu，HUANG Jingli，et al.Study on thermodynamic calculation of tri－section regenerative air preheater for utility boilers［J］.Thermal Power Generation，2009，38（3）：44－47.

［4］周俊虎，杨卫娟，靳彦涛，等.三分仓空气预热器热力计算的研究［J］.动力工程，2003，23（6）：2810－2813.ZHOU Junhu，YANG Weijuan，JIN Yantao，et al.Research on the heat balance calculation of the tri－sectional regenerative air preheater［J］.Journal of Power Engineering，2003，23（6）：2810－2813.

［5］冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算［M］.3版.北京：中国科学出版社，2003：357－367.