空气预热器换热过程数值模拟

李 健 柴 星 杨 建

(1.营口忠旺铝业有限公司，辽宁115000；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西710032)

随着经济的飞速发展，能源的快速消耗，资源的利用率越来越受到关注，提高能源的利用效率成为当今迫在眉睫的话题。空气预热器是现代大型锅炉机组中不可少的组成部件，通常布置在锅炉对流烟道的尾部[3]。因为空气预热器不仅能够吸收排烟中的热量，降低排烟温度，提高锅炉效率，而且由于空气的预热，改善燃料的着火条件，强化了燃烧过程，减少了不完全燃烧损失，对于难着火的无烟煤和劣质煤尤为重要[1]。空气进入炉膛之前，经空气预热器预热，强化炉膛辐射热交换，使吸收同样辐射热的水冷壁受热面减少[7]。较高温度的预热空气送到制粉系统作为干燥剂，在磨制高水分的劣质煤时也可以起到良好的烘干作用。所以空气预热器对提高锅炉的燃烧效率，降低燃料消耗非常重要[8]。

在我国的各个大型发电厂中普遍采用回转式空气预热器，运行实际表明：回转式空气预热器主要的缺点就是漏风率大。因为空气预热器是由转子和固定的密封板组成的，高温烟气自上而下流经转子内部加热蓄能元件，当转子转向空气侧时，低温空气又自下而上流经炙热的蓄能板，带走热量[9]。由于空气预热器转子重复循环承受这样的冷热交替变化，转子内自上而下的温差就会使其发生热变形，受高温的转子上端和受低温的转子下端便会与上下端密封的扇形板形成间隙。又因为高温烟气和低温空气之间有压差，这样烟气不可避免地会从这些间隙中泄漏到空气中。相当一部分空气预热器的漏风率在15%以上，这样不仅增大排烟热损失和风电消耗，严重时将直接影响锅炉出力，使电厂的经济效益下降。据测算，300 MW机组空气预热器漏风率每降低1%，全年会节约120万元。处理漏风的关键在于调整好各个密封间隙，密封间隙过大，增大了漏风量；密封间隙过小则会加速密封元件的磨损，在转子有热变形时甚至还会引起卡涩[12]。

本文通过厂家提供的空气预热器的结构尺寸，建立三维模型，利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对空气预热器的转子、扇形板、隔板分别进行结构-热耦合分析，获取其热变形值。为空气预热器的密封改造打下基础。

1 空气预热器的结构模型

1.1 空气预热器的几何模型

图1为空气预热器的三维几何模型，主要由转子、支架、扇形板、上下轴、中心筒、底座组成。其中直径为10.32 m的转子是三分仓容克式空气预热器实现热交换的核心部件，采用模数仓格结构，每个仓格15°。为布置双密封结构，每个仓格又分割为二，全部蓄热元件分装在24个模数仓格内，由中心筒带动转子一同旋转，与静止的密封外壳形成密封舱。蓄热元件分热端和冷端两种规格，共三层，自上而下装入模数仓格内。其中热端蓄热元件自上而下分300 mm和950 mm两层，由压制成特殊波形的考登钢交替层叠捆扎而成；冷端高度1000 mm，由压制成特殊波形的搪瓷片交替层叠捆扎而成。每个模数仓格利用一个定位销和固定销与中心筒相连接。中心筒上、下两端分别通过法兰与上轴、下轴连接，整体形成预热器的旋转主轴。

1.2 网格的划分

为方便、快速地对空气预热器进行有限元分析，减少计算量和快速性，利用其对称性，取其1/14进行分析计算。在对转子进行有限元网格划分之前对转子选择了SOLID186的单元类型，选用的体单元尺寸为20 mm，划分形式为六面体自由化分，得到546712个网格单元，39778个节点。图2为转子模型的网格图。转子的材料选用Q235，其材料在不同温度时的物理属性见表1。

1—扇形板 2—中心筒 3—支架 4—密封框架 5—底座

1—中心筒 2—转子 3—径向隔板

表1 Q235材料在不同温度下的物理属性Table 1 Physical Properties of Q235 material at different temperatures

1.3 边界条件

依据空气预热器在工作中的安装情况，在有限元分析、简化时，依据右手笛卡尔直角坐标系定则，把坐标原点设置在最底层中心处，Y轴方向与转子旋转周向一致，X轴方向与转子的半径方向一致，Z轴方向为空气预热器的高度方向。

对空气预热器进行边界条件设置时，首先要设置约束条件。所以模型的两侧要进行对称设置，限制芯柱在Z方向的自由度。

2 空气预热器数值仿真分析

实际工况中，空气预热器的工作原理是：加工成特殊波形的金属元件即蓄热元件被紧密地放置在转子扇形仓格内，以1.14 r/min的转速旋转，其左右两半部分分别为烟气和空气通道。空气侧又分为一次通道和二次通道。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。当蓄热元件旋转到空气侧时，又将热量释放给空气，空气温度升高。如此这样周而复始地循环，实现烟气和空气的热交换。高温烟气在加热蓄热元件时，势必会将热量传递给转子，转子在高温下就会出现热变形。

2.1 空气预热器转子的结构分析

图3为转子在340℃高温烟气冲刷下，在Y轴上的位移云图。从中可以看出，转子在340℃时出现了蘑菇状变形，整个转子沿X方向上向下塔拉下来，并且越往外向下的位移值越大。从空气预热器转子上下端的变形曲线图4可以看出来，上端的最大变形位移为38.86 mm，下端的最大位移变形量为48.34 mm。符合实际生产过程中，空气预热器在高温下出现蘑菇状变形的情况，上端的变形量为38.86 mm，和实际测量出的37.42 mm相差不多。

从图4(a)中可以看出，由于热胀冷缩，先是正向增加，由于越向外转子承受的自重越大，因此Y向的变形量又负向减小。从图4(b)中可以看出，在整个X方向上，转子下端都呈现出负值变化，前半部分变化趋势缓慢，后半部分随着转子质量的增大，变化趋势也越来越大。整体呈现出蘑菇状变形。

2.2 扇形板的结构分析

图5为空气预热器转子上方的扇形板在Y方向上的位移云图。从图中可以看出，扇形板在高温下也有变形，出现两端向上弯，中间向下弯的趋势，其位移变化量为-8.939 mm～5.017 mm之间变化。位移最大值出现在转子中后方，向下偏移的最大值为-8.939 mm。

(a)正视图

(b)俯视图

(a)转子上端

(b)转子下端

2.3 隔板的结构分析

图6为径向隔板在Y方向上的位移云图。从图中可以看出，径向隔板在高温下也发生有位移变化，其位移值在-13.315 mm～6.235 mm之间变化。沿着X轴、Y轴的位移变量越来越大，位移最大值在径向隔板X方向的末端，其值为-13.315mm，向下偏移。

图5 扇形板Y向位移云图Figure 5 Y-direction displacement nephogram of sector plate

图6 径向隔板的Y向位移云图Figure 6 Y-direction displacement nephogram of radial partition

3 结论

分别利用ANSYS/LS-DYNA、FLUENT分析软件对空气预热器进行了热-结构耦合模拟分析和流体分析。在高温340℃的烟气冲刷下，空气预热器的热变形值为38.86 mm，和实际测量值相差不多，验证了实际工况。