摘要：以火力电站锅炉三分仓回转式空气预热器为研究对象，通过分析微元内部流体和金属壁之间的热交换过程，建立了空预器微元的能量平衡和质量平衡方程。开发了一种计算空气预热器温度场分布的自校正算法。自校正算法的核心是在线辨识气体对流放热系数修正因子和金属携带热量增量修正因子，空气预热器温度场则是算法的输出。与实际测点对比结果表明，算法精度较高，可满足空气预热器稳态运行监控的要求，对火力电站安全运行有潜在应用价值。
关键词：回转式空气预热器;自校正;三维图像;数值计算
引言
回转式空气预热器被广泛用于火力电站中提高锅炉热效率，但是在实际运行中，空气预热器存在低温腐蚀、积灰污染、漏风等问题，导致结构应力变化。金属温度场的准确计算可量化径向隔板热弹性变形，进而帮助优化转子径向密封设计;流体温度场的准确计算可监控排烟温度是否低于露点，防止空气预热器腐蚀积灰程度扩大。所以在线监测空气预热器内部流体温度分布及金属蓄热板温度分布是火电工业的急切需求。
一、空气预热器现状分析
空气预热器现有温度测点位于入口和出口，无法探知空气预热器内部流体和金属温度分布。若在空气预热器内部安装红外传感器、热电偶，成本较高，而且空气预热器内部是温度变化范围大，粉尘浓度高，且伴随有震动的环境，很容易造成传感器失灵甚至损坏。故急需一种不在空气预热器内部添加新测点的实时空气预热器温度场分布测量技术。
文献[1]采用链式结构的集总参数模型对三分仓空气预热器进行建模，模型简便，计算速度快。文献[2,3]利用相互耦合的能量方程和蓄热方程进行数值迭代以获得收敛解，但是该方法只能应用于稳态过程，当机组变负荷运行时，模型就会失效。文献[4]采用解析法与数值法相结合的方法，该方法模型复杂，当系统参数发生变化时，鲁棒性较差。
本文以某300MW三分仓回转式空气预热器为对象结合实测数据进行研究，基于微元法建立了空气预热器传热的离散模型，该模型通过在线辨识参数使得模型能够自动适应空气预热器性能变化。模型输出的三维温度场形象地反映空气预热器内运行状况，有利于火力电站的安全生产。
二、三分仓回转式空气预热器的传热模型
2.1传热机理
回转式空气预热器被广泛用于火力电站中提高锅炉热效率，其利用锅炉尾烟气加热一次风和二次风，是锅炉尾部重要受热面。其一般被等分为24、36或48个扇形仓，每个分仓由若干个扇形仓组成，扇形仓内紧密地排列着数以千计由特殊形状金属板制成的高效率传热元件。沿烟气流动方向一般分为高温段，中温段和低温段。烟气与一次风、二次风逆向对流，当烟气进入预热器后，加热转子内部的蓄热元件，转子转到空气侧后，将传热元件所带热量释放给流经转子的空气，转子连续旋转，换热过程也持续进行。
2.2传热方程
先做如下假设[2]:与金属的比热容相比，流体的比热容可以忽略不计;传热微元的尺寸足够小,使流体流动方向认为是一维的;忽略携带漏风和携带烟气对换热影响;辐射换热可以忽略;对于空气预热器转子，径向的热导率为无穷大，周向的热导率为无穷小，且周向的热导率只与其自身温度有关。
空气预热器进行微元法划分
传热方程为:
转子热转移方程:
烟气热转移方程：
根据公式进行整理得到描述转子温度和烟气温度的一个偏微分方程组式。引入了2个系数P和Q作为标记。
定解条件是:转子温度场连续;每分仓内烟气温度场连续;烟气放热量应等于空气吸热量。
每仓交界处的温度连续，利用迭代法求解。由于模型基于能量守衡，收敛性很好，出口工质温度取各分仓离散点出口温度的算术平均。
2.3数值计算方法
取1个按上诉方法划分的传热微元组成基本传热矩阵，假设其为MiNj矩阵，流体流动方向为从上至下，转子转动方向为从左向右。初始条件:流体入口温度已知，最左侧金属壁温度已知，若是第一次计算，最左侧金属壁温度可以采用线性插值进行估算。边界条件:金属壁垂直两端绝热，流体温度边界上连续。沿列向对每1个传热单元应用式可得2Nj个方程，每一列流体温度加上传热单元右侧金属壁温度共有2Nj个未知数，故可沿转动方向间列计算流体温度和金属壁温度。计算得最右侧金属壁温度赋予沿转动方向下一基本传热矩阵的最左侧金属壁温度。
假设轴向上高温段、中温段、冷段依次划分为M1、M2、M3层，周向上烟气仓、二次风仓、一次风仓被依次划分为N1、N2、N3份。可得到9个基本传热矩阵，按空气预热器空间结构排列组成总传热矩阵。各流体入口温度已知，烟气仓最左侧金属壁温度第一次计算采用线性插值进行估算。沿流体流动方向上一段流体出口温度为下一段流体入口温度。从左至右依次计算烟气仓、二次风仓、一次风仓各列温度。由于烟气与空气逆流，烟气仓从上至下计算各行温度，二次风仓和一次风仓从下至上计算各行温度。当计算出的金属壁最后一列温度与第一列温度满足下式小于阈值则停止计算，否则将最后一列金属壁温度赋给第一列，重新迭代计算。
2.4参数自校正气体对流放热系数采用下式:
式中，k1为待辨识气体对流放热系数修正因子，修正轴向温度分布，为气体导热系数，Pr为普朗特数，Hd为该波纹板当量直径，v为气体运动黏度。
气体流速u为：
气体导热系数，普朗特数，气体运动黏度采用文献[5]所提供的关于温度的多项式计算公式计算。金属导热系数和比热在0~800℃范围内和金属温度呈线性关系，采用线性插值方法计算ki,j。气体密度及气体比热采用文献[6]所提供气体物性参数库得到气体物性参数库是指通过气体压力和温度实时数据在线计算气体的比热和密度物性数据库。式(5)中除去k1后的部分为气体对流放热系数通用经验公式，但是用于计算空气预热器内部流通流体的对流放热系数也许不够准确。k1增大则气体对流放热系数增大，算法计算的最终烟气出口温度下降，而空气出口温度相应上升。由能量守恒定律，引入k2以修正金属携带热量增量，保证转子转动带走的热量和烟气对流放热的热量相等，克服单独修正对流放热因子引发的能量失衡。增大k2，则空气预热器周向分布梯度变大。当流体仿真出口温度与实际值偏差超过预定值时，重新对k1和k2进行辨识，以此达到自适应，实现自校正功能，消除系统参数时变的影响。气体对流放热系数修正因子和金属携带热量增量修正因子的辨识提高了算法的自适应性，当设备结构参数发生改变时，仍能很好地监控设备运行状况。
结论
本文以某300MW电厂三分仓回转式空气预热器为研究对象，将空气预热器按空间结构划分为若干微元，建立每个微元的能量守恒和质量守恒方程。利用电站历史运行数据辨识空气对流换热系数修正因子和金属壁转动携带热量增量修正因子以修正空预器旋转引起的不稳定换热。模型输出空气预热器内部流体温度场和金属壁温度场，三维温度场分布图形象地反映空气预热器内运行状况,对火力电站的生产安全有重要作用。在系统参数发生变化时，算法可实现实时跟踪校正模型参数，满足在线、长时间监控设备运行的要求。
参考文献
[1]赵建英.三分仓空气预热器链式结构的集总参数模型[J].华北电力大学学报[J].2007,34(2):134-137.
[2]刘福国.考虑轴向导热的三分仓回转式预热器传热模型及验证[J].机械工程学报.2010,46(22):144-150.
[3]王洪跃.求解回转式空气预热器传热模型的解析-数值法[J].中国电机工程学报,2006,26(11):51-55.
论文作者:张超
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：预热器论文; 空气论文; 温度论文; 流体论文; 烟气论文; 金属论文; 气体论文; 《电力设备》2019年第16期论文;