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作者 | 閆順林? 曹保鑫

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院

［摘 要］煙氣經(jīng)選擇性催化還原(SCR)脫硝后，產(chǎn)生的硫酸氫銨會(huì)造成空氣預(yù)熱器(空預(yù)器)冷端蓄熱元件腐蝕和堵塞。將三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)子看成多孔介質(zhì)，建立了非熱平衡模型，模擬得出某 600 MW 機(jī)組空預(yù)器工質(zhì)和受熱面三維溫度分布，分析了煙風(fēng)出口溫度和受熱面轉(zhuǎn)子溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的變化規(guī)律。結(jié)果表明：煙氣沿流動(dòng)方向溫度逐漸降低，空氣沿流動(dòng)方向溫度逐漸升高，出口溫度沿旋轉(zhuǎn)方向幾乎呈線性關(guān)系，且由于分倉(cāng)的存在，沿旋轉(zhuǎn)方向各個(gè)分倉(cāng)的交界面上溫度是不連續(xù)的；蓄熱元件溫度從熱端到冷端逐漸降低，沿旋轉(zhuǎn)方向呈先增后減的趨勢(shì)；低溫腐蝕危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在冷段，硫酸氫銨沉積危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在冷段和熱段交界處。

［關(guān)?? 鍵?? 詞］三分倉(cāng)；回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器；多孔介質(zhì)；非熱平衡模型；硫酸氫銨沉積；腐蝕；堵塞

作為鍋爐尾部煙道重要的余熱回收系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器(空預(yù)器)在大型火電機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。這種蓄熱式換熱器是煙氣和空氣交替通過受熱面，當(dāng)煙氣通過此受熱面時(shí)，受熱面金屬被加熱而將熱量蓄積起來(lái)，當(dāng)空氣通過時(shí)金屬將熱量釋放并加熱空氣。與管式空預(yù)器相比，回轉(zhuǎn)式? 空預(yù)器具有體積小、重量輕和傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器具有煙氣、一次風(fēng)、二次風(fēng) 3 個(gè)受熱面通道，在實(shí)際運(yùn)行中，存在低溫腐蝕、漏風(fēng)較高和 NH4HSO4(ABS)沉積等問題，低溫受熱面腐蝕和 ABS 沉積均與其內(nèi)部溫度分布密切相關(guān)。為此，有必要對(duì)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器內(nèi)部蓄熱元件和工質(zhì)溫度分布進(jìn)行模擬研究。

關(guān)于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器內(nèi)部溫度場(chǎng)的求解，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大量的研究工作，但對(duì)空預(yù)器內(nèi)部溫度場(chǎng)全三維數(shù)值模擬研究較少。文獻(xiàn)建立了考慮軸向?qū)岬娜謧}(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器傳熱模型，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性；文獻(xiàn)研究了轉(zhuǎn)速對(duì)三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器熱力性能的影響；文獻(xiàn)采用有限元法將回轉(zhuǎn)式空預(yù)器沿轉(zhuǎn)速方向周向展開，對(duì)其內(nèi)部溫度分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；文獻(xiàn)取受熱面轉(zhuǎn)子的一部分，交替改變進(jìn)出口邊界條件對(duì)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；文獻(xiàn)采用熱平衡模型對(duì)二分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器進(jìn)行了完全三維數(shù)值模擬，忽略了金屬受熱面與流體間的溫差；文獻(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)的金屬受熱面參數(shù)化，將其定義為用戶自定義標(biāo)量，建立了四分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器傳熱三維數(shù)值計(jì)算模型；文獻(xiàn)研究了三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器溫度分布的影響因素；文獻(xiàn)通過工程模塊化建模方法建立了多段四分倉(cāng)空預(yù)器模型；文獻(xiàn)對(duì)三分倉(cāng)及改進(jìn)三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器進(jìn)行了熱力計(jì)算；文獻(xiàn)建立了適應(yīng)選擇性催化還原(SCR)脫硝的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器傳熱計(jì)算模型；文獻(xiàn)研究了漏風(fēng)對(duì)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器熱力性能的影響；文獻(xiàn)采用有限容積法對(duì)雙分倉(cāng)空預(yù)器溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，并建立了空預(yù)器入口前煙氣與空氣通道模型，得到了空預(yù)器進(jìn)口處的邊界條件。

盡管對(duì)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器溫度場(chǎng)的研究較多，但空預(yù)器全三維溫度分布仍不能準(zhǔn)確呈現(xiàn)，對(duì)影響回轉(zhuǎn)式空預(yù)器溫度分布因素的研究也不夠完善。本文 基于 Fluent 軟件將空預(yù)器轉(zhuǎn)子看成多孔介質(zhì)，對(duì)某600? MW 機(jī)組三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器進(jìn)行等尺寸的三維數(shù)值模擬，得到金屬受熱面與煙風(fēng)溫度三維分布規(guī)律，為研究蓄熱元件低溫腐蝕以及空預(yù)器 ABS 沉積奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型

三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器結(jié)構(gòu)和工質(zhì)流向如圖 1 所示，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和蓄熱元件如圖 2 所示?；剞D(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)子被大量的薄鋼板軋制而成的蓄熱板填充，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬其流動(dòng)和傳熱問題需要巨大數(shù)量的網(wǎng)格單元，遠(yuǎn)超出普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。但蓄熱板將轉(zhuǎn)子筒體分割成眾多的孔隙通道供工質(zhì)流動(dòng)，符合多孔介質(zhì)模型的簡(jiǎn)化條件，可采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于多孔介質(zhì)傳熱過程研究的傳統(tǒng)方法主要基于局部熱平衡假設(shè)，忽略固體骨架與流體局部溫差；當(dāng)這種局部溫差對(duì)換熱效果影響較大時(shí)，局部熱平衡模型就不能得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，此時(shí)采用局部非熱平衡模型代替局部熱平衡模型， 用 2 個(gè)不同的能量方程分別對(duì)流體和固體骨架中的熱量傳遞進(jìn)行描述。文獻(xiàn)采用非熱平衡模型得到了較好的計(jì)算結(jié)果。

圖 1? 空預(yù)器分倉(cāng)結(jié)構(gòu)和氣體流向

圖 2? 空預(yù)器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

所以本文采用節(jié)省計(jì)算時(shí)間并能取得較準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果的多孔介質(zhì)非熱平衡模型對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行簡(jiǎn)化。計(jì)算可得，流體流經(jīng)蓄熱元件通道雷諾數(shù)為 2500~ 6000，故選用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型進(jìn)行模擬。

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)具有周期性，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程為

固體項(xiàng)和流體項(xiàng)不同的物性參數(shù)均會(huì)影響空預(yù)器的溫度分布，采用多孔介質(zhì)非熱平衡模型分別計(jì)算固體項(xiàng)和流體項(xiàng)的能量方程：

壁面采用絕熱無(wú)滑移邊界條件，煙氣和空氣的物性參數(shù)僅考慮為溫度的函數(shù)。基于網(wǎng)格分區(qū)思想建立多重參考系模型(MRF)下的求解方法，即固體轉(zhuǎn)子采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，流體區(qū)域采用固定坐標(biāo)系，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程為：

多孔介質(zhì)慣性阻力系數(shù)與黏性阻力系數(shù)可通過式(9)和式(10)計(jì)算得出：

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器以蓄熱元件當(dāng)量直徑為定性尺寸，所以煙氣側(cè)和空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)均采用下式計(jì)算：

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器整個(gè)轉(zhuǎn)子模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分情況如圖 3 所示。

圖 3? 轉(zhuǎn)子網(wǎng)格劃分情況

網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證見表 1。由表 1 可見，網(wǎng)格數(shù)為 623476 時(shí)適合空預(yù)器溫度場(chǎng)模擬，且模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)。

表 1? 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2 計(jì)算驗(yàn)證

某 600 MW 機(jī)組鍋爐額定工況下回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的設(shè)計(jì)參數(shù)與蓄熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2和表3。由于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器熱端和中端使用相同的板型和材質(zhì)，所以在模擬時(shí)將其合并考慮。

表 2? 某 600 MW 機(jī)組空預(yù)器設(shè)計(jì)參數(shù)

表 3? 蓄熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

計(jì)算煙風(fēng)出口溫度與設(shè)計(jì)值比較見表 4。由? 表 4 可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值的最大誤差低于 2%，可見數(shù)值計(jì)算結(jié)果有較高的準(zhǔn)確性。

表 4? 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 三分倉(cāng)空預(yù)器三維溫度場(chǎng)分析

某三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器煙風(fēng)三維溫度分布如圖 4 所示。由于分倉(cāng)的存在，工質(zhì)溫度沿周向在分倉(cāng)交界處是不連續(xù)的；由于流體流動(dòng)的連續(xù)性，工質(zhì)在各分倉(cāng)沿流動(dòng)方向是連續(xù)的，煙氣沿流動(dòng)方向溫度逐漸降低，空氣沿流動(dòng)方向溫度逐漸升高，這與回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的工作原理一致。

圖 4? 工質(zhì)溫度分布

空預(yù)器冷端溫度分布如圖 5 所示。一二次風(fēng)進(jìn)口溫度分布均勻，煙氣出口溫度沿旋轉(zhuǎn)方向呈扇形分布且逐漸升高，幾乎呈線性關(guān)系(圖 6)。這是因?yàn)榭疹A(yù)器內(nèi)部溫度沿徑向變化較小，沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向金屬受熱面逐漸被煙氣加熱，導(dǎo)致煙氣與蓄熱元件的溫差逐漸變小，使對(duì)流換熱減弱，進(jìn)而導(dǎo)致蓄熱元件與煙氣的換熱量逐漸減小。

空預(yù)器熱端溫度分布如圖 7 所示。由圖 7 可見，煙氣進(jìn)口溫度分布均勻，一二次風(fēng)出口溫度呈扇形分布。沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向，一二次風(fēng)出口溫度逐漸降低且呈線性關(guān)系(圖 8、圖 9)。由于沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向金屬受熱面首先經(jīng)過二次風(fēng)倉(cāng)放熱，在二次風(fēng)倉(cāng)傳熱溫差大，對(duì)流換熱強(qiáng)，換熱量大，所以在進(jìn)口溫度低于一次風(fēng)的條件下，二次風(fēng)出口平均溫度高于一次風(fēng)出口平均溫度。

圖 5? 空預(yù)器冷端溫度分布

圖 6? 煙氣出口溫度沿周向變化

圖 7? 空預(yù)器熱端溫度分布

圖 8? 二次風(fēng)出口溫度沿周向變化

圖 9? 一次風(fēng)出口溫度沿周向變化

圖 10 和圖 11 分別為金屬受熱面三維溫度分布及側(cè)視圖。由圖 10 可以看出：受熱面溫度在各個(gè)方向上是連續(xù)變化的；沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向，蓄熱元件溫度由于煙氣溫度的逐漸降低而降低；沿空氣流動(dòng)方向，蓄熱元件溫度由于空氣溫度的逐漸升高而升高；沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向，蓄熱元件溫度是非線性變化的。

圖 10? 金屬受熱面溫度分布

由圖 11 可以看出，在煙氣倉(cāng)與二次風(fēng)倉(cāng)交界熱端處金屬受熱面溫度最高，在一次風(fēng)倉(cāng)與煙氣倉(cāng)交界冷端處金屬受熱面溫度最低。

圖 11? 金屬受熱面溫度分布側(cè)視圖

圖 12 為蓄熱元件溫度沿周向變化，圖中曲線由下到上分別表示金屬受熱面高度為 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.55 m 處金屬受熱面壁溫沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向的溫度分布情況。從圖 12 可以看出，金屬受熱面溫度從煙氣側(cè)吸熱至向二次風(fēng)和一次風(fēng)放熱的過程呈先升高后降低的趨勢(shì)，且在二次風(fēng)區(qū)金屬受熱面溫度降低的幅度高于一次風(fēng)區(qū)金屬受熱面溫度降低的幅度。因?yàn)榻饘偈軣崦媸紫冉?jīng)過二次風(fēng)區(qū)，在二次風(fēng)區(qū)煙氣與金屬受熱面溫差較大，傳熱量大。所以金屬受熱面在二次風(fēng)區(qū)的溫度降低幅度大于在一次風(fēng)區(qū)的下降幅度。

圖 12? 蓄熱元件溫度沿周向變化

圖 13 為沿流動(dòng)方向平均金屬溫度變化曲線。由圖 13 可以看出，ABS 形成和凝結(jié)溫度分別為 480 K和 419 K，所以 ABS 沉積溫度區(qū)間為 419～480 K。由以上分析可知，低溫腐蝕危險(xiǎn)區(qū)域集中在冷段，ABS 沉積危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在冷段和熱段交界處。蓄熱元件壁溫將直接影響空預(yù)器的堵塞和低溫腐蝕，而壁面溫度計(jì)算結(jié)果將為提高壁面溫度以減輕ABS 沉積的方法提供依據(jù)，常用的措施包括熱風(fēng)再循環(huán)和加裝暖風(fēng)器。

圖 13? 沿流動(dòng)方向平均金屬溫度變化曲線

4 結(jié)?? 論

1)通過建立三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器非熱平衡模型，模擬得到了其工質(zhì)和受熱面的三維溫度分布規(guī)律：沿流動(dòng)方向煙氣溫度遞減，空氣溫度升高；沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向，煙氣溫度遞增，空氣溫度遞減，且在分倉(cāng)交界面處不連續(xù)；煙風(fēng)出口溫度沿旋轉(zhuǎn)方向呈線性關(guān)系，與實(shí)際結(jié)果相符；空預(yù)器受熱面熱端溫度高而冷端溫較低；沿旋轉(zhuǎn)方向受熱面溫度先升高后降低，且二次風(fēng)區(qū)降低的幅度大于一次風(fēng)區(qū)降低的幅度，為分析受熱面低溫腐蝕和 ABS 沉積奠定基礎(chǔ)。

2)低溫腐蝕危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在冷段，ABS 沉積危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在冷段和熱段交界處。

3)通過工質(zhì)和受熱面溫度分布與實(shí)際情況的對(duì)比分析，認(rèn)為非熱平衡模型應(yīng)用于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器轉(zhuǎn)子模擬有較高的準(zhǔn)確性。

本文發(fā)表于《熱力發(fā)電》

作者簡(jiǎn)介：閆順林，博士，教授，主要研究方向?yàn)闊崃ο到y(tǒng)節(jié)能理論及應(yīng)用。

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總結(jié)

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