四分倉回轉式空氣預熱器動態特性仿真研究

高建強，張　晨

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

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四分倉回轉式空氣預熱器動態特性仿真研究

高建強，張晨

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

以300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組為研究對象，建立了四分倉回轉式空氣預熱器的數學模型，并基于一體化仿真平臺，建立了仿真模型。通過漏風擾動試驗，分析了B-MCR工況下鍋爐主要運行參數的變化規律。結果表明：隨著四分倉回轉式空氣預熱器漏風率的增大，四分倉出口排煙溫度下降，一次再循環煙氣和氧氣溫度上升；爐內絕熱燃燒溫度升高和三原子氣體發射率增大，使水冷壁輻射換熱量增多；主蒸汽量增多，主汽壓力升高，主汽溫度下降，不但影響機組的經濟性，也威脅著機組的安全穩定運行。因此，減小四分倉回轉式空氣預熱器漏風對于富氧煤粉燃燒鍋爐具有重要意義。

300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組；四分倉回轉式空氣預熱器；漏風；運行特性

0　引言

近年在火力發電領域，富氧煤粉燃燒技術是電廠CO2減排、捕集的技術之一[1]。如富氧煤粉燃燒鍋爐機組在省煤器后設置類似于空氣預熱器的氣氣預熱器，既回收了排煙余熱，也預熱了制粉系統干燥所需的一次再循環煙氣及送入爐膛的氧氣[2]。四分倉回轉式空氣預熱器將壓頭最高的一次再循環煙氣分為兩路，將氧氣倉放置于兩個一次再循環煙氣倉中間，可有效減少氧氣向排煙的泄漏量。但是四分倉回轉式空氣預熱器與常規回轉式預熱器一樣存在較多的漏風問題[3-4]，其中較為嚴重的是，壓頭較高的一次再循環煙氣會通過密封裝置的間隙漏入壓頭較低的排煙中，使一次再循環煙氣量減少，給制粉系統的運行參數產生影響。討論四分倉回轉式空氣預熱器漏風情況下，富氧煤粉燃燒鍋爐機組運行參數的變化規律，對該鍋爐機組的經濟和安全運行有著重要的參考意義。

一些學者對于常規回轉式預熱器漏風問題的研究，文獻[5]采用機理分析的研究方法，通過分析回轉式空氣預熱器漏風的機理及模型，闡述漏風過高所造成的危害，針對影響漏風的因素分析和總結了降低漏風的原理及方法；文獻[6]研究了空氣預熱器不同部位漏風系數變化對鍋爐效率的影響，得到空氣預熱器熱端漏風系數變化對鍋爐效率的影響大于冷端的結論；文獻[7]采用熱力計算的研究方法，以某400 MW再熱燃煤鍋爐回轉式空氣預熱器為例，在熱風總量不變的情況下，對空預器軸向進行離散化處理，計算并比較不同軸向漏風分布時的熱風和排煙溫度。但文獻[5-7]20并沒有分析富氧燃煤機組四分倉回轉式空氣預熱器漏風對鍋爐機組運行特性的影響，一次再循環煙氣漏風后對富氧煤粉燃燒鍋爐機組運行特性的影響區別于一般空氣預熱器漏風對常規鍋爐機組運行特性的影響，需加以研究討論。

以數學模型為基礎的實時動態仿真已成為熱力系統動態特性研究的主要手段之一，廣泛應用于技術方案研判、控制策略論證、運行特性分析、人員培訓等領域[8-9]。本文采用的一體化模型開發平臺，即具有在線模塊化模型開發、調試、運行等功能[10-11],將四分倉回轉式空氣預熱器仿真模型與300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組仿真模型進行耦合，通過漏風仿真試驗，討論四分倉回轉式空氣預熱器漏風對富氧煤粉燃燒鍋爐機組運行參數的影響。

1　四分倉回轉式空氣預熱器的模型的建立

1.1數學模型的建立

圖1為300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組四分倉回轉式空氣預熱器的受熱面分布簡圖。其換熱過程是由蓄熱元件與各倉工質的熱交換并通過蓄熱元件的旋轉運動而將熱量由高溫排氣依次傳給一次再循環煙氣Ⅰ路、氧氣和一次再循環煙氣Ⅱ路的。建模時采用集中參數法，并做出如下簡化：

(1)一次再循環煙氣在入口處漏往排煙的出口處。

(2)一次再循環煙氣往氧氣倉里無泄露。

(3)暫不考慮由壓差和間隙存在所造成的攜帶漏風。

圖1　四分倉回轉式空氣預熱器的受熱面分布簡圖

1.1.1 四分倉回轉式漏風率的確定

四分倉回轉式空氣預熱器的漏風率定義為一次再循環煙氣倉漏往排煙倉的煙氣量與一次再循環煙氣量的比值，記為Δα。

(1)

式中：ΔV為一次再循環煙氣的漏風量，m3/s；Vp為一次再循環煙氣量，m3/s。

1.1.2各倉出口流量計算

高溫煙氣倉出口煙氣流量：

(2)

一次再循環煙氣Ⅰ路出口流量：

(3)

一次再循環煙氣Ⅱ路出口流量：

(4)

式中：Wg2，Wp12，Wp22分別為高溫煙氣倉、 一次再循環煙氣Ⅰ、Ⅱ路出口流量，kg/s；Wg1，Wp11，Wp21為煙氣、一次再循環煙氣Ⅰ、Ⅱ路入口流量，kg/s；WpL1，WpL2分別為一次再循環煙氣Ⅰ、Ⅱ路漏到排煙側的煙氣量，kg/s；各漏風量按如下方法簡化計算。

一次再循環煙氣Ⅰ路往排煙側泄漏量：

(5)

一次再循環煙氣Ⅱ路往排煙側泄漏量：

(6)

式中：CL1，CL2為漏風導納，其值可以根據設計或實測的漏風率推算得到；Pg和Pp分別為排煙壓力和一次再循環煙氣壓力，kPa。

1.1.3各倉蓄熱元件換熱計算

模型假設因蓄熱元件的連續旋轉運動而產生一定的蓄熱元件金屬流量Mf，kg/s。設各倉的蓄熱元件當量質量分別為Mg，Mp1，Ms，Mp2則其能量守恒方程為：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Q1，Q2，Q3，Q4分別為排煙倉、一次再循環煙氣Ⅰ路、氧氣倉和一次再循環煙氣Ⅱ路的散熱量，kJ/s；Cpm為蓄熱元件的金屬比熱容，J/(kg·K)；Qgt，Qp1t，Qst，Qp2t分別為排煙倉、一次再循環煙氣Ⅰ路、氧氣倉和一次再循環煙氣Ⅱ路的換熱量，kJ/s。

1.2仿真模型的建立

采用FORTRAN語言將上述四分倉回轉式空氣預熱器的數學模型編寫成計算機程序，建立仿真算法，放于一體化模型開發平臺(IMMS)的算法庫中，即可用于建立回轉式空預器的仿真模型。

借助一體化模型開發平臺，按照空預器工作過程中相關參數的傳遞關系，連接各設備、過程仿真模塊的輸入輸出變量，即可完成四分倉回轉式空氣預熱器的建模工作，其算法名為AIRHTR4，同樣，將四分倉回轉式空氣預熱器的邊界模塊與其他系統仿真模塊進行連接，構成一個完整的300 MW富氧燃煤鍋爐機組仿真模型，如表1所示為該機組部分模型。

表1　300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組模塊列表

2　仿真試驗與分析

以300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組為研究對象，鍋爐機組的主要設計參數見表2。

表2　300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組主要參數

利用建立的300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組仿真模型，對BMCR工況下不同漏風率進行靜態仿真試驗，分析各倉出口溫度、主汽溫度、主汽壓力和主汽流量等參數的變化規律。

2.1漏風對各倉出口溫度的影響

如圖2中(a)、(b)、(c)和(d)所示，隨四分倉漏風率Δα增加，一次再循環煙氣漏入排煙倉的煙氣量增加，排煙溫度tg2隨著Δα的增大而呈現下降趨勢。當一次再循環煙氣Ⅰ、Ⅱ路的煙氣量減少時，單位煙氣流量與蓄熱元件的換熱量增大，致使一次再循環煙氣Ⅰ、Ⅱ路出口煙溫tp11,tp12上升。同時，由于蓄熱元件進入氧氣倉時的溫度升高，其與氧氣的換熱溫差增大，使氧氣出口溫度ts2上升。

圖2　四分倉回轉式空氣預熱器各倉出口煙溫與其漏風率的關系

由圖2可看出，當漏風率每增加2%時，排煙溫度tg2下降約0.6 ℃，氧氣出口溫度ts2上升0.7 ℃左右，而一次再循環煙氣Ⅰ、Ⅱ路出口煙溫tp11,tp12分別增大約1 ℃和1.2 ℃。

2.2漏風對爐內輻射換熱的影響

由圖3(a)和(b) 可見，當四分倉回轉式空氣預熱器發生漏風時，爐膛煙氣量減少，火焰中心下移，爐內最高煙溫下移，爐膛絕熱燃燒溫度Tiso升高。爐內平均換熱溫差和三原子氣體發射率ε增大，使水冷壁的輻射換熱量Qf增加，爐膛出口煙溫T″f下降。

圖3　漏風率對爐內輻射換熱的影響

由圖3可看出，當漏風率每增加2%時，爐膛絕熱燃燒溫度Tiso升高約5 ℃，而爐膛出口煙溫T″f下降4 ℃左右，水冷壁的輻射換熱量Qf增加約4×106W。

2.3四分倉回轉式氣氣換熱器漏風對主蒸汽參數的影響

如圖4中(a)、(b)和(c)所示，當四分倉回轉式空氣預熱器漏風率Δα增大時，水冷壁的輻射換熱量增加導致汽包蒸發量增大，機組主蒸汽量Dms增多，主汽壓力Pms升高。但是，汽包蒸發量增大也使單位質量蒸汽吸熱量減少，最終導致主汽溫度Tms下降。主汽流量增大將使汽輪機末級葉片的負荷增大；主汽溫度降低，汽輪機末幾級蒸汽濕度增加，將增大末幾級葉片的濕度損失和縮小末幾級葉片的使用壽命，不但影響機組的經濟性，也威脅著機組的運行安全。

圖4　主汽流量、壓力、溫度與漏風率的關系

由圖4可看出，當漏風率少于4%時，主蒸汽量Dms近似線性增加，而后趨于平緩，同樣主汽壓力Pms也按同樣的趨勢變化，漏風率為4%之前每增大2%時，主汽溫度Tms下降約1.8 ℃，之后變化越來越小。

3　結論

(1) 對于300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機組，隨著四分倉回轉式空氣預熱器漏風率Δα的增大，四分倉出口排煙溫度下降，一次再循環煙氣和氧氣溫度上升，但變化不是太大，均在1.5 ℃以下。

(2) 隨著四分倉回轉式空氣預熱器漏風率Δα的增大，爐內絕熱燃燒溫度升高和三原子氣體發射率增大，使水冷壁輻射換熱量增多，漏風率每增大2%，溫度變化在4～5 ℃。

(3) 隨著四分倉回轉式空氣預熱器漏風率Δα的增大，主蒸汽量增多，主汽壓力升高，主汽溫度下降，且變化不穩定，這不但影響機組的經濟性，也威脅著機組的運行安全。因此，減小四分倉回轉式空氣預熱器漏風對于富氧煤粉燃燒鍋爐具有重要意義。

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Simulation Research on Dynamic Characteristics of Quad-section Rotary Air Heater

GAO Jianqiang，ZHANG Chen

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

The 300 MW oxy-coal fired boiler unit is taken as an object of study. The mathematical model of quad-section rotary air heater were established, and the simulation model was set up based on the Integrated Simulation Platform. Through the leakage test of quad-section rotary gas-gas preheater on B-MCR condition, the change rules of the operation parameters of the boiler unit were analyzed. The results show that with the increase of the leakage rate of the quad-section rotary gas-gas preheater, the temperature of the exhaust flue gas drops while the temperature of the primary recycling flue gas and the oxygen gas increase. Meanwhile, the increase of the isothermal temperature and the radiation emissivity lead to the increase of the water wall radiation heat transfer. In addition, with the increase of air leakage rate of quad-section rotary gas-gas preheater, the increase of the main steam flow leads to the rise of main steam pressure and the decrease of its temperature, which is unbeneficial to the economy and safe operation of the unit. In consequence，it is crucial for the oxy-coal fired boiler unit to reduce the leakage rate of the quad-section rotary air heater.

300 MW oxy-coal fired boiler；quad-section rotary air heater；leakage；operating characteristic

2016-06-07。

高建強(1966-)，男，教授，主要從事系統建模與仿真方面的研究工作，E-mail:gaojq2001@126.com。

TK223

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.08.010