高建强，张　晨

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)



四分仓回转式空气预热器动态特性仿真研究

高建强，张晨

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

以300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组为研究对象，建立了四分仓回转式空气预热器的数学模型，并基于一体化仿真平台，建立了仿真模型。通过漏风扰动试验，分析了B-MCR工况下锅炉主要运行参数的变化规律。结果表明：随着四分仓回转式空气预热器漏风率的增大，四分仓出口排烟温度下降，一次再循环烟气和氧气温度上升；炉内绝热燃烧温度升高和三原子气体发射率增大，使水冷壁辐射换热量增多；主蒸汽量增多，主汽压力升高，主汽温度下降，不但影响机组的经济性，也威胁着机组的安全稳定运行。因此，减小四分仓回转式空气预热器漏风对于富氧煤粉燃烧锅炉具有重要意义。

300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组；四分仓回转式空气预热器；漏风；运行特性

0　引言

近年在火力发电领域，富氧煤粉燃烧技术是电厂CO2减排、捕集的技术之一[1]。如富氧煤粉燃烧锅炉机组在省煤器后设置类似于空气预热器的气气预热器，既回收了排烟余热，也预热了制粉系统干燥所需的一次再循环烟气及送入炉膛的氧气[2]。四分仓回转式空气预热器将压头最高的一次再循环烟气分为两路，将氧气仓放置于两个一次再循环烟气仓中间，可有效减少氧气向排烟的泄漏量。但是四分仓回转式空气预热器与常规回转式预热器一样存在较多的漏风问题[3-4]，其中较为严重的是，压头较高的一次再循环烟气会通过密封装置的间隙漏入压头较低的排烟中，使一次再循环烟气量减少，给制粉系统的运行参数产生影响。讨论四分仓回转式空气预热器漏风情况下，富氧煤粉燃烧锅炉机组运行参数的变化规律，对该锅炉机组的经济和安全运行有着重要的参考意义。

一些学者对于常规回转式预热器漏风问题的研究，文献[5]采用机理分析的研究方法，通过分析回转式空气预热器漏风的机理及模型，阐述漏风过高所造成的危害，针对影响漏风的因素分析和总结了降低漏风的原理及方法；文献[6]研究了空气预热器不同部位漏风系数变化对锅炉效率的影响，得到空气预热器热端漏风系数变化对锅炉效率的影响大于冷端的结论；文献[7]采用热力计算的研究方法，以某400 MW再热燃煤锅炉回转式空气预热器为例，在热风总量不变的情况下，对空预器轴向进行离散化处理，计算并比较不同轴向漏风分布时的热风和排烟温度。但文献[5-7]20并没有分析富氧燃煤机组四分仓回转式空气预热器漏风对锅炉机组运行特性的影响，一次再循环烟气漏风后对富氧煤粉燃烧锅炉机组运行特性的影响区别于一般空气预热器漏风对常规锅炉机组运行特性的影响，需加以研究讨论。

以数学模型为基础的实时动态仿真已成为热力系统动态特性研究的主要手段之一，广泛应用于技术方案研判、控制策略论证、运行特性分析、人员培训等领域[8-9]。本文采用的一体化模型开发平台，即具有在线模块化模型开发、调试、运行等功能[10-11],将四分仓回转式空气预热器仿真模型与300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组仿真模型进行耦合，通过漏风仿真试验，讨论四分仓回转式空气预热器漏风对富氧煤粉燃烧锅炉机组运行参数的影响。

1　四分仓回转式空气预热器的模型的建立

1.1数学模型的建立

图1为300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组四分仓回转式空气预热器的受热面分布简图。其换热过程是由蓄热元件与各仓工质的热交换并通过蓄热元件的旋转运动而将热量由高温排气依次传给一次再循环烟气Ⅰ路、氧气和一次再循环烟气Ⅱ路的。建模时采用集中参数法，并做出如下简化：

(1)一次再循环烟气在入口处漏往排烟的出口处。

(2)一次再循环烟气往氧气仓里无泄露。

(3)暂不考虑由压差和间隙存在所造成的携带漏风。

图1　四分仓回转式空气预热器的受热面分布简图

1.1.1 四分仓回转式漏风率的确定

四分仓回转式空气预热器的漏风率定义为一次再循环烟气仓漏往排烟仓的烟气量与一次再循环烟气量的比值，记为Δα。

(1)

式中：ΔV为一次再循环烟气的漏风量，m3/s；Vp为一次再循环烟气量，m3/s。

1.1.2各仓出口流量计算

高温烟气仓出口烟气流量：

(2)

一次再循环烟气Ⅰ路出口流量：

(3)

一次再循环烟气Ⅱ路出口流量：

(4)

式中：Wg2，Wp12，Wp22分别为高温烟气仓、 一次再循环烟气Ⅰ、Ⅱ路出口流量，kg/s；Wg1，Wp11，Wp21为烟气、一次再循环烟气Ⅰ、Ⅱ路入口流量，kg/s；WpL1，WpL2分别为一次再循环烟气Ⅰ、Ⅱ路漏到排烟侧的烟气量，kg/s；各漏风量按如下方法简化计算。

一次再循环烟气Ⅰ路往排烟侧泄漏量：

(5)

一次再循环烟气Ⅱ路往排烟侧泄漏量：

(6)

式中：CL1，CL2为漏风导纳，其值可以根据设计或实测的漏风率推算得到；Pg和Pp分别为排烟压力和一次再循环烟气压力，kPa。

1.1.3各仓蓄热元件换热计算

模型假设因蓄热元件的连续旋转运动而产生一定的蓄热元件金属流量Mf，kg/s。设各仓的蓄热元件当量质量分别为Mg，Mp1，Ms，Mp2则其能量守恒方程为：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Q1，Q2，Q3，Q4分别为排烟仓、一次再循环烟气Ⅰ路、氧气仓和一次再循环烟气Ⅱ路的散热量，kJ/s；Cpm为蓄热元件的金属比热容，J/(kg·K)；Qgt，Qp1t，Qst，Qp2t分别为排烟仓、一次再循环烟气Ⅰ路、氧气仓和一次再循环烟气Ⅱ路的换热量，kJ/s。

1.2仿真模型的建立

采用FORTRAN语言将上述四分仓回转式空气预热器的数学模型编写成计算机程序，建立仿真算法，放于一体化模型开发平台(IMMS)的算法库中，即可用于建立回转式空预器的仿真模型。

借助一体化模型开发平台，按照空预器工作过程中相关参数的传递关系，连接各设备、过程仿真模块的输入输出变量，即可完成四分仓回转式空气预热器的建模工作，其算法名为AIRHTR4，同样，将四分仓回转式空气预热器的边界模块与其他系统仿真模块进行连接，构成一个完整的300 MW富氧燃煤锅炉机组仿真模型，如表1所示为该机组部分模型。

表1　300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组模块列表

2　仿真试验与分析

以300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组为研究对象，锅炉机组的主要设计参数见表2。

表2　300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组主要参数

利用建立的300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组仿真模型，对BMCR工况下不同漏风率进行静态仿真试验，分析各仓出口温度、主汽温度、主汽压力和主汽流量等参数的变化规律。

2.1漏风对各仓出口温度的影响

如图2中(a)、(b)、(c)和(d)所示，随四分仓漏风率Δα增加，一次再循环烟气漏入排烟仓的烟气量增加，排烟温度tg2随着Δα的增大而呈现下降趋势。当一次再循环烟气Ⅰ、Ⅱ路的烟气量减少时，单位烟气流量与蓄热元件的换热量增大，致使一次再循环烟气Ⅰ、Ⅱ路出口烟温tp11,tp12上升。同时，由于蓄热元件进入氧气仓时的温度升高，其与氧气的换热温差增大，使氧气出口温度ts2上升。

图2　四分仓回转式空气预热器各仓出口烟温与其漏风率的关系

由图2可看出，当漏风率每增加2%时，排烟温度tg2下降约0.6 ℃，氧气出口温度ts2上升0.7 ℃左右，而一次再循环烟气Ⅰ、Ⅱ路出口烟温tp11,tp12分别增大约1 ℃和1.2 ℃。

2.2漏风对炉内辐射换热的影响

由图3(a)和(b) 可见，当四分仓回转式空气预热器发生漏风时，炉膛烟气量减少，火焰中心下移，炉内最高烟温下移，炉膛绝热燃烧温度Tiso升高。炉内平均换热温差和三原子气体发射率ε增大，使水冷壁的辐射换热量Qf增加，炉膛出口烟温T″f下降。

图3　漏风率对炉内辐射换热的影响

由图3可看出，当漏风率每增加2%时，炉膛绝热燃烧温度Tiso升高约5 ℃，而炉膛出口烟温T″f下降4 ℃左右，水冷壁的辐射换热量Qf增加约4×106W。

2.3四分仓回转式气气换热器漏风对主蒸汽参数的影响

如图4中(a)、(b)和(c)所示，当四分仓回转式空气预热器漏风率Δα增大时，水冷壁的辐射换热量增加导致汽包蒸发量增大，机组主蒸汽量Dms增多，主汽压力Pms升高。但是，汽包蒸发量增大也使单位质量蒸汽吸热量减少，最终导致主汽温度Tms下降。主汽流量增大将使汽轮机末级叶片的负荷增大；主汽温度降低，汽轮机末几级蒸汽湿度增加，将增大末几级叶片的湿度损失和缩小末几级叶片的使用寿命，不但影响机组的经济性，也威胁着机组的运行安全。

图4　主汽流量、压力、温度与漏风率的关系

由图4可看出，当漏风率少于4%时，主蒸汽量Dms近似线性增加，而后趋于平缓，同样主汽压力Pms也按同样的趋势变化，漏风率为4%之前每增大2%时，主汽温度Tms下降约1.8 ℃，之后变化越来越小。

3　结论

(1) 对于300 MW富氧煤粉燃烧锅炉机组，随着四分仓回转式空气预热器漏风率Δα的增大，四分仓出口排烟温度下降，一次再循环烟气和氧气温度上升，但变化不是太大，均在1.5 ℃以下。

(2) 随着四分仓回转式空气预热器漏风率Δα的增大，炉内绝热燃烧温度升高和三原子气体发射率增大，使水冷壁辐射换热量增多，漏风率每增大2%，温度变化在4～5 ℃。

(3) 随着四分仓回转式空气预热器漏风率Δα的增大，主蒸汽量增多，主汽压力升高，主汽温度下降，且变化不稳定，这不但影响机组的经济性，也威胁着机组的运行安全。因此，减小四分仓回转式空气预热器漏风对于富氧煤粉燃烧锅炉具有重要意义。

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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。

高建强(1966-)，男，教授，主要从事系统建模与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