空氣預熱器漏風對其煙氣出口溫度的影響

王瑞星，宋 力，田 瑞

（1.洛陽明遠石化技術(shù)有限公司，河南 洛陽 471000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 能源與動力工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

加熱爐空氣預熱器普遍存在漏風情況，空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度及加熱爐熱效率影響較大。通常空氣預熱器的泄漏用空氣預熱器的漏風率來表示，但漏風率不能定量反映空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響。目前，沒有非常明確的算法來計算加熱爐空氣預熱器漏風對其煙氣出口溫度的影響，而準確反映漏風率與空氣預熱器煙氣出口溫度的關(guān)系有利于指導日常空氣預熱器的運行、維護和檢修，也關(guān)系到加熱爐熱效率的準確計算和加熱爐機組的節(jié)能降耗。因此，需要一種計算簡單有效、所需數(shù)據(jù)較少的方法來定量分析空氣預熱器漏風率變化對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響，研究空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響并進行修正計算具有重要意義。文中基于能量平衡原理推導出了空氣預熱器漏風對其煙氣出口溫度影響的計算式，并采用計算流體動力學（CFD）方法對空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響進行模擬計算分析［1-14］。

1 加熱爐空氣預熱器結(jié)構(gòu)及漏風原因

典型的加熱爐空氣預熱器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 典型加熱爐空氣預熱器結(jié)構(gòu)示圖

空氣預熱器分為高溫段和低溫模塊，高溫段換熱元件采用全焊接結(jié)構(gòu)，由4個高溫模塊組成。高溫段的換熱板片較薄，一般采用自動焊，焊接質(zhì)量難以保證，換熱板片交界處普遍存在漏風。低溫模塊為1個非焊接模塊，換熱元件之間采用螺栓墊片密封。低溫模塊損壞時，非焊接模塊的維修、更換較為方便，但這種結(jié)構(gòu)密封性較差，泄漏較為嚴重。此外，彎頭箱采用法蘭連接，煙氣側(cè)為負壓，少量環(huán)境空氣進入煙氣側(cè)，也會導致空氣預熱器產(chǎn)生微量泄漏。

空氣預熱器漏風原因主要有以下幾方面，①設(shè)計原因。加熱爐空氣預熱器是由換熱元件組裝而成，換熱元件之間的裝配間隙易造成漏風。②制造原因。換熱元件制造加工精度不夠、換熱元件之間的密封材料缺失等造成空氣預熱器漏風。③安裝原因。空氣預熱器與加熱爐，以及空氣預熱器主體與彎頭箱之間一般均采用法蘭連接，法蘭連接容易泄漏。④運行維護原因。加熱爐煙氣中存在SO3，空氣預熱器壁面溫度較低時，煙氣冷凝液腐蝕換熱元件，造成換熱元件損壞漏風。運行一段時間后密封墊片老化變形，鑄鐵換熱元件露點腐蝕穿孔，泄漏加劇。

2 加熱爐空氣預熱器漏風時空氣預熱器煙氣出口溫度計算方法

2.1 煙氣側(cè)效率

ASME PTC 4.3—2017《空氣預熱器實驗規(guī)程》［15］對空氣預熱器性能的評價相對比較全面，包含了空氣預熱器漏風率、煙氣側(cè)效率η，其中煙氣側(cè)效率反映了空氣預熱器的熱力性能，計算式如下：

式中，tg0為進入空氣預熱器的煙氣進口溫度 （也為空氣預熱器實際參加換熱的煙氣進口溫度），tg1為空氣預熱器煙氣出口溫度，ta0為進入空氣預熱器的空氣進口溫度，℃。

空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣側(cè)效率影響較小，假設(shè)空氣預熱器發(fā)生漏風后煙氣側(cè)效率不變，則空氣預熱器煙氣出口溫度tout為：

2.2 空氣預熱器煙氣出口溫度

2.2.1 熱端漏風

加熱爐空氣預熱器低溫模塊為交錯流形式，其漏風分為熱端漏風和冷端漏風。低溫模塊熱端漏風主要是熱端非焊接位置煙氣與空氣交界面處的縫隙漏風，空氣從該縫隙漏入煙氣側(cè)后，會很快與煙氣均勻混合，空氣從非焊接位置縫隙泄漏的射流距離遠小于煙氣在空氣預熱器內(nèi)低溫模塊流動的長度。因此把空氣預熱器熱端漏風看作是熱空氣漏入煙氣側(cè)，使空氣預熱器進口煙氣溫度降低，進而影響空氣預熱器的傳熱特性和傳熱效果。從換熱機理講，可將空氣預熱器熱端漏風看作只是降低進口煙氣溫度，并把熱端漏風變化對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響歸入到空氣預熱器進口煙氣溫度變化對空氣預熱器煙氣出口溫度的修正計算中。對于熱端漏風，依據(jù)能量平衡原理，有：

式中，ma1l為單位質(zhì)量燃料下熱端漏風總質(zhì)量，mg0(nl)為單位質(zhì)量燃料下煙氣進口質(zhì)量，kg/kg；ta1為熱端漏風溫度，tg0(nl)為空氣泄漏前低溫模塊煙氣進口溫度，℃；cpa1為空氣溫度從ta1到tg0的平均比定壓熱容，cpg0為煙氣溫度從 tg0到 tg0（nl）的平均比定壓熱容，kJ/（kg·℃）。

結(jié)合式（2）和式（3），假設(shè)空氣預熱器煙氣側(cè)效率不變，推導得出空氣預熱器熱端漏風的空氣預熱器煙氣出口溫度為：

2.2.2 冷端漏風

在空氣預熱器低溫模塊冷端下端面，空氣從非焊接位置縫隙泄漏的射流距離遠小于煙氣在空氣預熱器內(nèi)低溫模塊流動的長度，故低溫模塊冷端的漏風直接進入空氣預熱器煙氣出口流出的煙氣中，將空氣預熱器煙氣出口端的溫度降低。冷端漏風的流動路徑并不經(jīng)過空氣預熱器，沒有參與空氣預熱器的換熱。對于冷端漏風，依據(jù)能量平衡原理，有：

式（5）～式（6）中，ma0l為單位質(zhì)量燃料下冷端空氣泄漏總量，mg1為單位質(zhì)量燃料下空氣預熱器冷端煙氣量，kg/kg；cpa0為空氣溫度從 ta0到 tout的平均比定壓熱容，cpg1為煙氣從 tout到 toutg1l的平均比定壓熱容，kJ/（kg·℃）。

3 加熱爐空氣預熱器漏風時空氣預熱器煙氣出口溫度計算實例

3.1 計算式計算

空氣預熱器非焊接低溫模塊的泄漏量較大，故以某空氣預熱器低溫模塊為例，采用文中計算式對空氣預熱器熱、冷端漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響進行修正計算。空氣預熱器工況條件如下，煙氣組分為體積分數(shù)分別是9.48%的CO2、15.52%的 H2O、72.45%的 N2以及 2.55%的 O2，低溫模塊煙氣進口溫度200℃，無漏風時煙氣出口溫度130℃，空氣進口溫度20℃，空氣出口溫度170℃，進入低溫模塊O2體積分數(shù)2.5%。選定空氣預熱器冷端漏風分配系數(shù)、熱端漏風分配系數(shù)均為0.5。采用文中公式對此工況下實測漏風率對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響進行計算，結(jié)果見表1。

分析表1可以知道，空氣預熱器漏風后，空氣預熱器煙氣出口溫度會降低，漏風量越大，空氣預熱器煙氣出口溫度降低得越多。漏風后的空氣預熱器煙氣出口溫度并不是空氣預熱器實際煙氣出口溫度，漏風后空氣預熱器煙氣出口溫度較低，但煙氣余熱并沒有被充分利用，而是被泄漏介質(zhì)帶走，單一以空氣預熱器煙氣出口溫度為條件不能全面衡量空氣預熱器的性能，應(yīng)該根據(jù)熱平衡進行修正。

表1 不同漏風率下空氣預熱器煙氣出口溫度公式計算結(jié)果

空氣預熱器投用后，隨著密封件老化及換熱元件腐蝕，漏風量會逐漸增大。當空氣預熱器發(fā)生露點腐蝕時，空氣預熱器漏風量增大，主要發(fā)生在冷端，此條件下加大冷端風量分配系數(shù)即可進行空氣預熱器煙氣出口溫度計算。

3.2 CFD模擬計算

3.2.1 計算模型

選擇與計算式計算空氣預熱器煙氣出口溫度相同的空氣預熱器為對象，建立三維幾何模型，計算區(qū)域包括空氣預器換熱元件、空氣進口、空氣出口、煙氣進口和煙氣出口（圖2）。由于空氣預熱器換熱板片較多，整體計算的計算量較大，故截取部分換熱元件進行CFD換熱模擬計算。周期邊界條件可以看作是由部分的性質(zhì)來推廣表達全局的性質(zhì)，主要用于數(shù)學建模和計算機仿真中，將具有時空周期性的物理問題簡化為單元進行處理。本算例中，將幾何模型的上、下面設(shè)置為周期性邊界條件，用一個換熱單元來代表整個預熱器模塊。空氣進口為壓力邊界條件，空氣出口為質(zhì)量出口邊界條件，煙氣進口為質(zhì)量流量邊界條件，煙氣出口為壓力出口邊界條件。在低溫模塊的熱端及冷端的煙氣和空氣交界面處設(shè)置泄漏縫隙，煙氣側(cè)和空氣側(cè)上存在壓差，壓力較高的空氣通過所述縫隙進入壓力較低的煙氣側(cè)。

圖2 空氣預熱器漏風煙氣出口溫度CFD計算幾何模型

3.2.2 空氣預熱器煙氣出口溫度

CFD計算收斂之后，提取有關(guān)計算結(jié)果，煙氣進口的煙氣質(zhì)量流量為0.260 000 26 kg/s，煙氣出口的煙氣質(zhì)量流量為0.276 022 08 kg/s，空氣預熱器煙氣出口溫度為380.136 95 K。煙氣出口的煙氣質(zhì)量流量增大是因為空氣從縫隙泄漏進入煙氣側(cè)，使煙氣量增加，低溫模塊的泄漏率為6.16%。

將CFD計算模型空氣預熱器邊界條件中的參數(shù)代入式（2）～式（6），將泄漏率設(shè)定為 6.16%，計算得到空氣預熱器煙氣出口溫度為380.640 1 K，稍高于CFD計算結(jié)果。這主要是由于空氣出口質(zhì)量流量保持不變 （供加熱爐燃燒的空氣量不變），泄漏的熱空氣流入煙氣中，泄漏空氣吸收的余熱被煙氣帶走，回收能量減少，致使空氣出口溫度降低，而計算式計算時忽略了此問題。

空氣預熱器漏風時煙氣出口溫度CFD模擬計算及計算式計算結(jié)果見表2。

表2 空氣預熱器漏風時煙氣出口溫度CFD模擬計算及計算式計算結(jié)果 ℃

3.2.3 溫度分布

空氣預熱器有無漏風時空氣側(cè)切面煙氣溫度分布對比見圖3。由圖3可以看出，煙氣溫度在空氣預熱器端面外緣的變化較大，熱端的溫度變化梯度比冷端的溫度變化梯度大，熱端煙氣和空氣的溫差大于冷端煙氣和空氣的溫差。煙氣側(cè)熱端與空氣進口端交叉處的溫度變化梯度最為明顯，此處冷空氣泄漏后直接與煙氣混合，故溫度變化顯著。

圖3 有無漏風時空氣預熱器空氣側(cè)切面煙氣溫度分布

3.2.4 氧質(zhì)量分數(shù)分布

有無漏風時空氣預熱器空氣側(cè)切面氧質(zhì)量分數(shù)分布見圖4。由圖4可知，氧質(zhì)量分數(shù)在空氣預熱器端面外緣的變化較大，熱端的氧質(zhì)量分數(shù)變化梯度比冷端的大。空氣預熱器熱端漏風時，泄漏空氣流動方向與煙氣流動方向相反，混合較快，混合所需距離遠小于換熱元件的幾何尺寸，可以將空氣預熱器熱端漏風看作只是降低進口煙氣溫度，這與前述分析假設(shè)一致。空氣預熱器低溫模塊冷端漏風的射流方向與煙氣流向一致，但其混合所需距離也遠小于空氣預熱器換熱元件的幾何尺寸，實際測量空氣預熱器煙氣出口溫度時二者已經(jīng)混合均勻。

圖4 有無漏風時空氣預熱器空氣側(cè)切面氧質(zhì)量分數(shù)分布

4 結(jié)語

準確定量分析空氣預熱器漏風率變化對加熱爐空氣預熱器煙氣出口溫度的影響，對于加熱爐的運行、維護和節(jié)能降耗具有重要意義。基于能量守恒原理，提出了一種空氣預熱器漏風時空氣預熱器煙氣出口溫度的修正計算方法。采用該方法的實例計算結(jié)果表明，空氣預熱器存在漏風時空氣預熱器煙氣出口溫度會降低，漏風量越大，空氣預熱器煙氣出口溫度降低得越多，漏風后的空氣預熱器煙氣出口溫度并不是實際空氣預熱器煙氣出口溫度，是混合一部分空氣后的煙氣溫度，用此溫度進行加熱爐爐效率分析并不科學。采用CFD方法對同一加熱爐空氣預熱器漏風煙氣出口溫度進行了模擬計算分析，模擬結(jié)果與計算式結(jié)果相近，驗證了提出的修正計算方法的可行性。