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回转式空气预热器最低壁温与进口风温计算

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维普资讯 http://www.cqvip.com 回转式空气预热器 最低壁温与进口风温计算 阎维平 ,黄景立 ,李 钧 ,高宝桐 (1.华北电力大学,河北保定071003;2.华北电力科学研究院,北京 1OOO45) [摘 要]从换热原理上推导了回转式空气预热器热段烟气出口受热面金属壁温计算式,分析了最 低壁温计算中存在的问题并提出改进方法。对某燃煤电厂2台200 MW机组锅炉不同设 计的回转式空气预热器的酸露点温度、热段最低壁温与冷风温度的合理选取进行了计算 与比较,其结果对合理选取回转式空气预热器热段防腐的最低进口风温以及冷段、热段受 热面所占比例的优化设计与运行具有参考价值。 [关 键 词] 燃煤电站;锅炉;回转式空气预热器;低温腐蚀;进风温度 [中图分类号]TK223.3 4 [文献标识码]A [文章编号]1002—3364(2007)04—0047—03 1 回转式空气预热器热段最低平均 壁温计算方法 本文回转式空气预热器热段出口平均壁温计算方 法,参考原苏联锅炉机组热力计算标准方法_1],从换热 图1 回转式空气预热器微元体 原理上推导而出。如图1所示,在转子热段受热面最 下端沿轴向选取一高度为Ah、角度为△ 的微元体金 度。在空气预热器工作过程的任一时刻,烟气在烟气 属受热面。随着空气预热器转子受热面的旋转,该微 侧的放热量总等于空气在空气侧的吸热量,烟气(或空 气)与壁面的换热量Q可表示为换热面积H与对流放 元体受热面依次连续流经烟气与空气流通通道,重复 热系数a及温差 的乘积: 着被烟气加热与被空气冷却的换热过程,局部的换热 Q—HaAt (1) 模型为烟气以气体与壁面的对流放热方式将热量传给 烟气放热量与空气吸热量间的热平衡方程为: 蓄热元件,空气以气体与壁面的对流放热方式从蓄热 H a At 一HkakAtk (2) 元件获取热量。 式中:a ,a ——分别为烟气侧与空气侧对流放热系 该微元体的壁温有一定幅度的波动,为了推导和 数,W/(m。・℃); 工程应用,取其壁温的平均值。流经该微元体的烟气 H ,H ——分别为烟气侧与空气侧的换热面 温度取为热段出口烟温,空气温度为热段进口空气温 收稿日期: 2006——09——05 作者简介: 阎维平(1955一),男,博士,华北电力大学能源与动力工程学院教授,博士生导师,从事高效低污染煤燃烧理论、新能源开发与利用、电站 锅炉煤粉燃烧技术和锅炉安全经济运行的教学与研究。 E-mail: yanweiping@263.net 维普资讯 http://www.cqvip.com 积,121 ; 小于20℃。另根据文献[1]的规定,最低金属壁温应 比烟气酸露点高10℃~15℃,以考虑其它运行因素 的影响。 At 一 一t ,热段出I:1烟温与平均壁温之差,℃; At 一t 一t ,平均壁温与热段进口风温之差,℃。 换热面积H与换热元件的体积V成正比,在式 (2)两侧同时将换热面积替换为换热元件的体积V,则 可进一步写为: V a At 一VkakAtk (3) 3 回转式空气预热器合理进风温度计算 利用式(5)计算热段烟气出口的平均壁温时,首先 需要进行回转式空气预热器的校核热力计算,得到不 同进口冷风温度工况下的热段进口(即冷段出口)空气 烟气侧与空气侧换热元件体积分别为微元体高度 与烟气或空气冲刷受热面的截面面积的乘积,即 烟气侧换热元件体积:V 一Ah・A 空气侧换热元件体积:V —Ah・Ak 式中A 、A 分别为烟气与空气冲刷受热面的截面面 积,m 。 带入式(3),消去Ah,再两边同除以转子的总截面 面积(不包括径向密封板遮住的面积),得到: a ( 一tb)= ( 一tt) (4) 式中: , 分别为烟气、空气相应冲刷的受热面的 份额。 由式(4)可导出t ,即为热段出口最下端的平均壁 温: tb一_xyayg't ̄-xkakt' (5) yay— Zkak 式(5)与文献[1]给出的回转式空气预热器的最低 壁温计算式相同,但根据本文的推导,式(5)计算的t 并非热段烟气出口的最低壁温,而应是热段出口的平 均壁温。从完全避免热段腐蚀的角度看,在实际设备 设计与运行中更关注热段的最低壁温,而并非热段出 口的平均壁温。 2 热段出口平均壁温的修正 文献E2]实测了某600 Mw机组若干工况下回转 式空气预热器的冷端金属温度,结果表明,壁温最大与 最小值之差为30℃~68℃,平均壁温与最低壁温差 值20℃~24℃。文献[3]采用计算方法得到的壁温 最大与最小值之差为23℃;文献E4]采用建模计算的 方法得到热段烟气出口处壁温最大差值接近40℃,冷 段烟气出口壁温的最大差值为32.7℃。 由于平均壁温与最低壁温存在约20℃的温差,因 此,文献EI-I采用平均壁温的计算式来代表最低壁温存 在较大的偏差,基于此计算值设计的空气预热器不利 于安全运行。因此,由计算的平均壁温减去一个修正 温差△£ ,才应当是合理的最低壁温,△£ 的取值应不 @I热力发电・2007(4)I 温度与热段出口烟温。 回转式空气预热器热段与冷段的校核热力计算为 一迭代计算过程[1]。在已知某一冷段进口风温的条件 下,首先假设热段出口空气温度,迭代计算热段进口空 气温度与出口烟气温度,以及冷段出口烟气温度与出 口空气温度。当冷段出口空气温度与金属段进口空气 温度值超出规定误差时,重新假设热段出口空气温度, 并重复以上计算过程,直至满足要求。然后,根据式 (5)计算热段烟气出口的平均壁温,再计及修正温差 △£ 。如果该最低壁温值低于(或远高于)烟气露点温 度,则重新选取(提高或降低)一个冷段进口风温,重复 以上计算过程,直至热段烟气出口的最低壁温比烟气 酸露点高10℃~15℃,则计算结束。此时的冷段进 口风温即为可确保热段(金属段)不发生腐蚀的控制进 口冷风温度。 某电厂2台锅炉额定蒸发量均为670 t/h,超高 压、中间再热、自然循环、Ⅱ型布置、固态排渣。锅炉尾 部的省煤器与回转式空气预热器单级布置,其中2号 炉配备某国外厂家生产的空气预热器,4号炉空气预 热器由国内某厂家配套,主要设计数据分别见表1和 表2。锅炉设计燃用烟煤,现燃煤的分析数据见表3。 表1 空气预热器主要结构数据 项目 2号炉 4号炉 型号 26.5VNT1600 27一VI(T)一70 型式 受热面回转式 受热面回转式 转子直径d/mm 8 860 8 200 总受热面积/m。 72 657.6 72 972 热段受热面积/m。 56 708 67 118 冷段受热面积/m。 15 949.6 5 854 转子转速/r・min 1.05 1.6 烟气冲刷受热面份额 0.417 0.5 空气冲刷受热面份额 0.417 0.39 维普资讯 http://www.cqvip.com 表2运行数据(基础工况) 需要注意的是,以上计算结果均基于锅炉目前的 运行参数,即锅炉的排烟温度均大大高于设计值的工 况,空气预热器的进口烟温也同样高于设计值。因此, 如果锅炉在接近设计排烟温度下运行,则按式(5)计算 的热段出口平均壁温会较大幅度地降低,从而使4号 炉发生热段金属腐蚀的可能性更大,而2号炉不发生 表3现烧煤的元素分析与工业分析 炉号 / H / / Nar/ s / Aar/ / / / l・ 2号炉47.45 3.03 8.68 0.77 0.78 31.09 8.2 23.34 18 130 4号炉42.44 2.83 9.31 0.67 0.73 38.02 6.0 23.03 16 290 按机组运行的额定负荷及实际运行参数进行计 算,换热系数由对应的计算标准选取或根据制造厂提 供的数据。不同进风温度时的壁温计算结果见表4。 表4不同进风温度时的计算结果 ℃ 由表4可见,在目前所燃煤种及运行参数下,即使 进风温度低至20℃,2台锅炉的空气预热器均可以满 足热段金属受热面不发生腐蚀的条件。但是,由于4 号炉的冷段受热面约为热段的1/3,如果燃煤的含硫 量增加或进风温度低于2O℃,则可能发生热段金属腐 蚀。 腐蚀的安全裕度则较大。 4 结 论 (1)从换热原理上推导了回转式空气预热器热段 烟气出口受热面金属壁温计算式,结果表明原苏联锅 炉机组热力计算标准推荐的最低壁温计算式实际上应 为平均壁温,回避了温度波动的影响,建议计算时应计 及20℃左右的温差。 (2)对某燃煤电厂2 x 200 Mw机组锅炉不同设 计的回转式空气预热器的酸露点温度、热段最低壁温 与冷风温度的合理选取进行了计算,结果表明,不同设 计、不同运行工况对热段最低壁温与冷风温度的合理 选取有较大的影响,合理选取回转式空气预热器热段 防腐的最低进口风温以及冷段、热段受热面的比例是 优化设计与运行的重要内容。 [参 考 文 献] E13锅炉机组热力计算标准方法EM].北京锅炉厂译.北京: 机械工业出版社,1976. E23 池作和,潘维,李戈,等.600 Mw回转式空气预热器冷 端金属温度试验研究EJ3.中国电机工程学报,2002,22 (11):129—131. E3]王石生,杨天亮,赵钦新,等.再生式空气预热器的温度场 及传热的计算与分析EJ3.西安交通大学学报,1994,28 (6):62—67. E43 冷伟,陈道轮,张志伦.基于解析方法的回转式空气预热 器换热计算EJ3.中国电机工程学报,2005,25(3):141— 146. E53赵之军,朱其远,阎宏强,等.论电站锅炉排烟温度的自动 控制[J].动力工程,2002,22(5):1949—1953. (上转第28页) 维普资讯 http://www.cqvip.com [2] 钱颂文,岑汉钊,江楠,等.换热器管束流体力学与传热 4 结 论 (1)螺旋扭曲扁管换热器是一种新型高效管壳式 换热器,壳程具有较好的强化传热作用,因壳程无任何 支撑挡板,没有流动死区,壳程压力降与弓形折流板换 热器相比小得多,壳程单位压力降下的传热系数明显 比弓形折流板大,其强化传热优势明显。 E4] [M].北京:中国石化出版社,2002. Ea] 梁龙虎.螺旋扁管换热器的性能及工业应用研究[J].炼 油设计,2001,31(8):28—33. Dzyubenko B V,Dreitser G A,Ashmantas L V.Un— steady Heat and Mass in Twisted Tube Bundles[M]. MOSCOW:Mashinostr.Press,1 988. [5] Kotake S,Hijikata K.Numerical Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow on a Personal Computer[M]. (2)在小Re时,壳程具有更好的强化换热效果。 Amsterdam:Elsevier Science Publishers B.V,1993. (3)螺旋扭曲扁管的几何尺寸对螺旋扭曲扁管换 E6] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 热管壳程传热和流阻特性都有影响,螺旋扭曲扁管 1988. S/de值越小,其壳程强化传热效果越好。 E7] Godunov S K,Ivanov M Y,Kraiko A N.Numerical So— lution of Multidimensional Gas dynamic Problems rM]. [参 考 文 献] MOSCOW:Nauka Press,1976. Eli Dzyubenko B V,Ashmantas L V,Segal M D.Modeling [8]思勤,夏青,梁龙虎,等.螺旋扁管换热器传热与阻力性 and Design of Twisted Tube Heat Exchangers EM].New 能[J].化工学报,i995,46(5):601—607. York:Begell House Inc,1999. NUMERICAL ANALYSIS OF TURBULENT FLOW HEAT TRANSFER oN THE SHELL—SIDE oF SPIRALLY TWISTED FLAT—TUBE HEAT EXCHANGER ZHANG Xing—xiang,WANG Hai—feng,SANG Zhi—fu (NanjIing Industrial University,Nanjing 210009,Jiangsu Province,PRC) Abstract:Adopting standard k—e turbulent model in conj unction with the wall—surface function method,a three—dimensional nu- merical calculation for situation of the turbulent flow heat transfer on the shell——side of spirally twisted flat——tube heat——exchanger has been carried out under condition of high Reynolds number,and a comparison with bow—shaped baffle heat exchanger being made.The results of numerical calculation show that:the heat transfer coefficient on shell—side of the spirally twisted flat—tube heat exchanger increases with increasing the Reynolds number,and decreases with increasing the S/de value of said twisted tube;the comprehensive performance index a/AP on the shell—side of said twisted tube exchanger is higher,having better effect for strengthe— ning heat transfer. Key words:heat exchanger;spirally twisted flat—tube;k一£turbulent model;numerical simulation;turbulent heat transfer. (下接第49页) CALCULATIoN oF MINIMUM WALL TEMPERATURE AND INLET AIR TEMPERATURE oF REGENERATIVE AIR HEATER YAN Wei—ping ,HUANG Jing—li ,LI Jun ,GAO Bao—tong (1.North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei Province,PRC; 2.North China Electric Power Research Institute,Beijing 100045,PRC) Abstract:The calculation formula of the heating surface meta1 temperature for hot section of the regenerative air heater has been de— duced from the heat transfer principle,the problems existing in calculation of minimum wall temperature being analysed,and methods for improvement being put forward.For differently designed regenerative air heaters of two 200 MW boilers in one coal—fired power plant,the acid dew point temperature,the minimum wall temperature of hot section,and the inlet air temperature have been calculat— ed and compared.The proposed method and results can be used as reference for choosing the reasonable inlet air temperature and op— timlzing the designed proportion of cold and hot sections of the heating surface. Key words:coal—fired power plant;boiler;regenerative air heater;low temperature corossion;inlet air temperature 

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