基于效能-传热单元数的回转式空预器换热性能计算方法

李 杨，井新经，王宏武，周元祥，张 奔，罗树林



基于效能-传热单元数的回转式空预器换热性能计算方法

李 杨1，井新经1，王宏武1，周元祥1，张 奔1，罗树林2

（1.西安西热节能技术有限公司，陕西 西安 710054； 2.华能伊敏煤电有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021100）

针对回转式空气预热器（空预器）换热效率计算，提出了一种不需要烟风流量热容比修正曲线的近似方法，烟风流量热容比修正曲线在PTC 4.3的空预器效率计算中是必须的，但又是难以得到的。本方法以效能-传热单元数原理为基础，通过分析大量的、涵盖多种煤质和多种容量的锅炉空预器设计参数，得到不同传热单元数下的空预器效能和烟风流量热容比的关系，进而建立了空预器换热效率的计算模型。以某机组的空预器改造为例，采用该模型计算了空预器换热效率，得到的结果较为准确，与设计值和实际情况相符。

回转式空预器；效率；模型；烟风流量；热容比；传热单元数；锅炉

回转式空气预热器（空预器）的换热效率是评价空预器换热能力的重要指标，是空预器考核和改造的依据。换热效率评价标准遵循ASME PTC 4.3[1]，但在该标准中，烟风流量热容比（XR）的修正规定较为模糊，且需要空预器厂家提供的XR修正曲线，而该曲线厂家很少提供，导致该评价标准很难应用到大多数空预器效率分析中。而忽略XR的修正，对空预器效率影响较大，这主要是由于烟气量和空气量的比例发生变化，导致空预器效率较难准确分析。例如：由于系统阻力的偏差，导致 2台空预器的烟气量不均匀或2台送风机的送风量不均匀；由于燃煤煤质与设计值偏差较大，导致制粉系统冷风掺入量与设计值偏差较大；由于炉膛漏风，导致冷风掺入量与设计值偏差较大；由于空预器漏风较大，导致空预器烟气量和空气量的比例发生变化。部分电厂并不能相对准确地计算空预器换热性能，相应的空预器性能改造后（例如：更换蓄热元件，密封调整等）出现了不能达到预期目标或不能准确评价改造效果的情况。

目前，对于空预器换热性能研究集中在空预器的热力计算方面[2-12]，而在空预器的换热能力评价方面的研究较少。文献[13]通过测试空预器进出口烟气和空气流量、温度等参数，结合空预器生产厂家提供的热力特性修正曲线，对空预器的XR、空预器入口烟气流量进行修正后，得到了空预器改造后修正到设计条件下的换热能力。

因此，针对目前空预器评价中存在的问题，本文试图建立一种空预器性能的评价方法，将空预器看作标准逆流换热器，在缺少空预器的XR修正曲线的情况下，对空预器性能进行计算。若考虑回转式空预器存在烟气侧停留时间和空气侧停留时间，回转式空预器并不完全等同于标准换热器，但可近似将标准换热器的分析方法应用在这种空预器上。因此，基于效能-传热单元数（NTU）原理，本文提出了XR修正方法，从而得到空预器的换热效率计算方法。

1 理论模型

在ASME PTC 4.3中，烟气侧换热效率是空预器性能的衡量标准。该效率为烟气温度在空预器中的降幅（修正到无漏风条件）与空预器最大温压的比值：

式中：y,i为空预器入口烟气温度，℃；y,o为空预器出口烟气温度，℃；k,i为空预器入口空气温度，℃；y为空预器换热效率（烟气侧效率），%。

空预器烟风流量热容比（XR）定义为流过空预器的空气的热容量（质量流量乘以比热容）与烟气的热容量的比值[1]：

在换热器效能-传热单元计算中，对于空预器而言，空气的温升大于烟气的温降，因此，空预器的效能按下式定义：

由式(1)—式(3)可知，

可将空预器当作逆流布置的换热器，根据文献[14-15]，结合式(2)，可得空预器的效能为

其中，

式中：为空预器烟气-空气换热系数，W/(m2·K)；为空预器换热面积，m2。

根据式(5)，只要确定空预器NTU，即可得到和XR的关系。

而对于NTU，是换热器设计中的一个无量纲参数，可看作空预器值大小的度量。针对大量的、涵盖多种煤质和多种容量的锅炉空预器设计参数，计算了多个空预器NTU设计值，结果见表1。

表1 不同机组空预器NTU数值

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

针对上述不同的NTU，计算了d/dXR，如图1所示。

图1 不同NTU下，XR和dε ⁄dXR的变化关系

由图1可见，对于给定的NTU值，d/dXR随XR变化曲线几乎呈线性。这样，空气预热器XR修正可由式(7)表示，其中下角标d、r分别代表设计条件和实际条件。

其中：(NTUd, XRd)由式(8)得到，

需要注意的是，本文所述方法的前提条件是所有空预器进出口温度均应按照ASME PTC 4.3修正到无漏风条件下；三分仓空预器的空气进出口温度为一次风和二次风的加权平均。

2 计算实例

某电厂1、2号机组空预器运行时间较长，堵塞、积灰和破损情况较为严重。电厂首先对2号机组空预器进行了更换堵塞、破损蓄热原件及调整密封间隙等改造。改造完成后，由于2号机组空预器漏风率小于1号机组，同时1号机组掺烧部分褐煤，制粉系统冷风掺入量较小，导致2号锅炉排烟温度较1号锅炉反而偏高约5 ℃。为了评价2号锅炉空预器改造效果，采用本文计算方法对1、2号锅炉空预器额定负荷工况下的换热效率G进行了计算，结果见 表2。由表2可见：1）若不进行XR修正，1、2号锅炉空预器换热效率在63%~64%，与设计值偏差较大，同时，完全不能体现2号机组空预器改造的效果；2）经过本文的方法修正后，2号锅炉空预器换热效率约为67.4%，与设计值相当，与改造目标相符，而未改造的1号锅炉空预器换热效率约为65.3%，低于设计值和2号锅炉，与实际情况相符；3）通过本文的方法可知，1百分点的空预器换热效率影响排烟温度3~4 ℃，可以预测，1号锅炉采用同样的改造方案，排烟温度的下降空间约为7 ℃，折合发电煤耗约为1.0 g/(kW·h)。

表2 某电厂1、2号锅炉空预器设计及运行换热效率

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

3 结 论

1）本文建立了回转式空预器效率的近似计算模型，该模型在不需要设计的XR修正曲线下，可较为准确地判断空预器换热效率，为空预器性能改造效果评价和评估提供了简单有效的计算方法。

2）实际计算结果表明，改造后的空预器换热效率与设计值相当，高于未改造空预器，结果与实际情况相符。

3）本文所提出的XR修正方法，无意替代ASME PTC 4.3，但可作为判断空预器是否需要进行性能提升改造的依据。

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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

李杨, 井新经, 王宏武, 等. 基于效能-传热单元数的回转式空预器换热性能计算方法[J]. 热力发电, 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

李杨(1978—)，男，高级工程师，博士，主要研究方向为动力工程及工程热物理，liyang@tpri.com.cn。

（责任编辑 马昕红）