基于效能-傳熱單元數的回轉式空預器換熱性能計算方法

李 楊，井新經，王宏武，周元祥，張 奔，羅樹林

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基于效能-傳熱單元數的回轉式空預器換熱性能計算方法

李 楊1，井新經1，王宏武1，周元祥1，張 奔1，羅樹林2

（1.西安西熱節能技術有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能伊敏煤電有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021100）

針對回轉式空氣預熱器（空預器）換熱效率計算，提出了一種不需要煙風流量熱容比修正曲線的近似方法，煙風流量熱容比修正曲線在PTC 4.3的空預器效率計算中是必須的，但又是難以得到的。本方法以效能-傳熱單元數原理為基礎，通過分析大量的、涵蓋多種煤質和多種容量的鍋爐空預器設計參數，得到不同傳熱單元數下的空預器效能和煙風流量熱容比的關系，進而建立了空預器換熱效率的計算模型。以某機組的空預器改造為例，采用該模型計算了空預器換熱效率，得到的結果較為準確，與設計值和實際情況相符。

回轉式空預器；效率；模型；煙風流量；熱容比；傳熱單元數；鍋爐

回轉式空氣預熱器（空預器）的換熱效率是評價空預器換熱能力的重要指標，是空預器考核和改造的依據。換熱效率評價標準遵循ASME PTC 4.3[1]，但在該標準中，煙風流量熱容比（XR）的修正規定較為模糊，且需要空預器廠家提供的XR修正曲線，而該曲線廠家很少提供，導致該評價標準很難應用到大多數空預器效率分析中。而忽略XR的修正，對空預器效率影響較大，這主要是由于煙氣量和空氣量的比例發生變化，導致空預器效率較難準確分析。例如：由于系統阻力的偏差，導致 2臺空預器的煙氣量不均勻或2臺送風機的送風量不均勻；由于燃煤煤質與設計值偏差較大，導致制粉系統冷風摻入量與設計值偏差較大；由于爐膛漏風，導致冷風摻入量與設計值偏差較大；由于空預器漏風較大，導致空預器煙氣量和空氣量的比例發生變化。部分電廠并不能相對準確地計算空預器換熱性能，相應的空預器性能改造后（例如：更換蓄熱元件，密封調整等）出現了不能達到預期目標或不能準確評價改造效果的情況。

目前，對于空預器換熱性能研究集中在空預器的熱力計算方面[2-12]，而在空預器的換熱能力評價方面的研究較少。文獻[13]通過測試空預器進出口煙氣和空氣流量、溫度等參數，結合空預器生產廠家提供的熱力特性修正曲線，對空預器的XR、空預器入口煙氣流量進行修正后，得到了空預器改造后修正到設計條件下的換熱能力。

因此，針對目前空預器評價中存在的問題，本文試圖建立一種空預器性能的評價方法，將空預器看作標準逆流換熱器，在缺少空預器的XR修正曲線的情況下，對空預器性能進行計算。若考慮回轉式空預器存在煙氣側停留時間和空氣側停留時間，回轉式空預器并不完全等同于標準換熱器，但可近似將標準換熱器的分析方法應用在這種空預器上。因此，基于效能-傳熱單元數（NTU）原理，本文提出了XR修正方法，從而得到空預器的換熱效率計算方法。

1 理論模型

在ASME PTC 4.3中，煙氣側換熱效率是空預器性能的衡量標準。該效率為煙氣溫度在空預器中的降幅（修正到無漏風條件）與空預器最大溫壓的比值：

式中：y,i為空預器入口煙氣溫度，℃；y,o為空預器出口煙氣溫度，℃；k,i為空預器入口空氣溫度，℃；y為空預器換熱效率（煙氣側效率），%。

空預器煙風流量熱容比（XR）定義為流過空預器的空氣的熱容量（質量流量乘以比熱容）與煙氣的熱容量的比值[1]：

在換熱器效能-傳熱單元計算中，對于空預器而言，空氣的溫升大于煙氣的溫降，因此，空預器的效能按下式定義：

由式(1)—式(3)可知，

可將空預器當作逆流布置的換熱器，根據文獻[14-15]，結合式(2)，可得空預器的效能為

其中，

式中：為空預器煙氣-空氣換熱系數，W/(m2·K)；為空預器換熱面積，m2。

根據式(5)，只要確定空預器NTU，即可得到和XR的關系。

而對于NTU，是換熱器設計中的一個無量綱參數，可看作空預器值大小的度量。針對大量的、涵蓋多種煤質和多種容量的鍋爐空預器設計參數，計算了多個空預器NTU設計值，結果見表1。

表1 不同機組空預器NTU數值

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

針對上述不同的NTU，計算了d/dXR，如圖1所示。

圖1 不同NTU下，XR和dε ?dXR的變化關系

由圖1可見，對于給定的NTU值，d/dXR隨XR變化曲線幾乎呈線性。這樣，空氣預熱器XR修正可由式(7)表示，其中下角標d、r分別代表設計條件和實際條件。

其中：(NTUd, XRd)由式(8)得到，

需要注意的是，本文所述方法的前提條件是所有空預器進出口溫度均應按照ASME PTC 4.3修正到無漏風條件下；三分倉空預器的空氣進出口溫度為一次風和二次風的加權平均。

2 計算實例

某電廠1、2號機組空預器運行時間較長，堵塞、積灰和破損情況較為嚴重。電廠首先對2號機組空預器進行了更換堵塞、破損蓄熱原件及調整密封間隙等改造。改造完成后，由于2號機組空預器漏風率小于1號機組，同時1號機組摻燒部分褐煤，制粉系統冷風摻入量較小，導致2號鍋爐排煙溫度較1號鍋爐反而偏高約5 ℃。為了評價2號鍋爐空預器改造效果，采用本文計算方法對1、2號鍋爐空預器額定負荷工況下的換熱效率G進行了計算，結果見 表2。由表2可見：1）若不進行XR修正，1、2號鍋爐空預器換熱效率在63%~64%，與設計值偏差較大，同時，完全不能體現2號機組空預器改造的效果；2）經過本文的方法修正后，2號鍋爐空預器換熱效率約為67.4%，與設計值相當，與改造目標相符，而未改造的1號鍋爐空預器換熱效率約為65.3%，低于設計值和2號鍋爐，與實際情況相符；3）通過本文的方法可知，1百分點的空預器換熱效率影響排煙溫度3~4 ℃，可以預測，1號鍋爐采用同樣的改造方案，排煙溫度的下降空間約為7 ℃，折合發電煤耗約為1.0 g/(kW·h)。

表2 某電廠1、2號鍋爐空預器設計及運行換熱效率

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

3 結 論

1）本文建立了回轉式空預器效率的近似計算模型，該模型在不需要設計的XR修正曲線下，可較為準確地判斷空預器換熱效率，為空預器性能改造效果評價和評估提供了簡單有效的計算方法。

2）實際計算結果表明，改造后的空預器換熱效率與設計值相當，高于未改造空預器，結果與實際情況相符。

3）本文所提出的XR修正方法，無意替代ASME PTC 4.3，但可作為判斷空預器是否需要進行性能提升改造的依據。

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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

李楊, 井新經, 王宏武, 等. 基于效能-傳熱單元數的回轉式空預器換熱性能計算方法[J]. 熱力發電, 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

李楊(1978—)，男，高級工程師，博士，主要研究方向為動力工程及工程熱物理，liyang@tpri.com.cn。

（責任編輯 馬昕紅）