CN104655673A - 一种三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断方法,其特点是，包括数据采集、空气预热器漏风率分配、空气预热器进出口烟气温度修正与烟气侧换热效率、空气热容量与烟气热容量之比的计算和修正、空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量与烟气热容量之比应达值的计算、空气预热器换热性能诊断等步骤。本发明通过将实测回转式空气预热器空气热容量和烟气热容量之比、烟气侧换热效率、空气进出温差与应达值进行比较，如果温差和换热效率低于应达值，而热容量是大于应达值即可诊断为性能下降。达到对三分仓回转式空气预热器换热性能在线精确诊断的目的，解决了三分仓回转式空气预热器换热性能计算方法误差大和换热性能无法准确诊断的问题。

Description

一种三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断方法

技术领域

本发明涉及热力设备性能状态监测与诊断领域，是一种三分仓回转式空气预热器换热性能的在线诊断方法。

背景技术

目前，衡量和评价回转式空气预热器换热性能最主要而且最直接的指标是空气预热器性能试验标准美国机械工程学会ASME PTC4.3-1968中提出的空气热容量和烟气热容量之比及烟气侧换热效率。

ASME PTC4.3-1968标准认为回转式空气预热器的漏风主要集中在下端面径向间隙，如图1所示。事实上，由于上下端面在受热不均和空气预热器自身重力的影响下，会发生蘑菇状变形，使得上端面的径向间隙增大，导致漏风增大，因此回转式空气预热器的漏风主要集中在上下两个端面的径向间隙。其中上端面的漏风对空气预热器的换热性能影响最大，这主要是因为上端面漏风降低了参与换热的进口烟温，使传热温差降低，换热量减小。此外，ASMEPTC4.3-1968标准只是制定了两分仓回转式空气预热器换热性能的计算，对于三分仓，由于一二次风风压高于烟气侧，一二次风都会漏入烟气侧，但一二次风流量、温度及压力差距较大，如何准确确定一二次风漏入烟气侧的漏风率是进行空气预热器换热性能诊断的一个技术难题，也是本申请突破的一个技术创新点。

对于空气预热器性能试验，国内没有相应的试验规程。我国《锅炉机组热力计算标准方法》(73版)中规定的回转式空气预热器热力计算方法对考虑漏风的计算作了如下处理：把回转式空气预热器分成热端和冷端进行计算，对于热端和冷端的漏风看作是沿着整个空气预热器烟道进行，热力计算采用空气预热器烟道进出口漏风率的平均值和进出口风温平均值进行计算，如图2所示。但按照此种方法计算得到的空气预热器烟气侧换热效率随着漏风率的增大而增大，显然这个结论不符合运行实际情况。

因此，按照我国《锅炉机组热力计算标准方法》和美国机械工程学会ASME PTC4.3-1968标准计算得到的回转式空气预热器烟气换热效率、空气热容量和烟气热容量之比不能准确反映三分仓回转式空气预热器的真实换热性能。而现有文献和专利中所介绍的三分仓回转式空气预热器换热性能诊断计算方法中提到的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比都是基于ASME PTC4.3-1968标准，尚没有克服和解决上述问题和缺陷。现有技术都只是考虑了回转式空气预热器的下端面径向间隙漏风对空气预热器换热性能的影响，没有考虑上端面径向间隙的漏风。此外，也没有考虑三分仓一次风和二次风漏风率的分配，从而不能实现对三分仓回转式空气预热器换热性能的准确计算和诊断。因此，不利于对三分仓回转式空气预热器换热性能变化的早期发现和及时处理。

发明内容

针对现有的关于回转式空气预热器换热性能计算方法存在的问题和缺陷，本发明定义新的适合回转式空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算表达式，并基于回转式空气预热器进出口烟气温度和压力、一次风进出口温度和压力、二次风进出口温度和压力、一次风率和二次风率及进出口烟气含氧量测点，结合热平衡原理，提出一种能够自动在线计算、准确监测三分仓回转式空气预热器换热性能变化的在线诊断方法。

本发明采用的技术方案是：一种三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断方法，其特征在于，它包括:

(a)数据采集环节：

通过数据采集系统采集三分仓回转式空气预热器进出口烟气温度和压力、一次风进出口温度和压力、二次风进出口温度和压力、一次风率和二次风率及进出口烟气含氧量数据以便对三分仓回转式空气预热器漏风率的计算和空气预热器进口烟气温度、出口烟气温度的修正计算；

三分仓回转式空气预热器总漏风率计算式为

$A_L=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})}{21-O_2^{\′\′}}---\left(1\right)$

其中，A_L为空气预热器总漏风率，％；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％；

(b)漏风率分配环节：

由三分仓回转式空气预热器进出口含氧量计算空气预热器总的漏风率，按照对空气预热器漏风实际试验情况确定上端面和下端面的漏风分配系数，将总的漏风率分配到空气预热器的上端面和下端面，采用三分仓回转式空气预热器进出口烟气和一、二次风的压力、温度及一、二次风率的数值把上下端面的漏风率分配到一次风和二次风；

三分仓回转式空气预热器上端面的漏风率为

$A_{L\left(S\right)}=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})X_S}{21-O_2^{\′\′}}---\left(2\right)$

其中，A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；X_S为空气预热器上端面的漏风分配系数；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％；

三分仓回转式空气预热器下端面的漏风率为

$A_{L\left(X\right)}=\frac{A_L(1-X_S)}{1+\frac{X_S(O_2^{\′\′}-Q_2^{\′})}{21-Q_2^{\′\′}}}---\left(3\right)$

其中，A_L(X)为空气预热器下端面的漏风率，％；A_L为空气预热器总漏风率，％；X_S为空气预热器上端面的漏风分配系数；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％；

定义空气预热器上端面一次漏风量和二次漏风量之比为一、二次漏风分配比，并采用式(4)确定，即

其中，K_S为空气预热器上端面一二次漏风分配比；M_S(一)为空气预热器上端面一次风漏风量，kg/h；M_S(二)为空气预热器上端面二次风漏风量，kg/h；X₁为一次风率，％；X₂为二次风率，％；A_S(1)为空气预热器一次风上端面漏风间隙面积，m²；A_S(2)为空气预热器二次风上端面漏风间隙面积，m²；P_S(1)为空气预热器出口一次风压力，kPa；P_S(2)为空气预热器出口二次风压力，kPa；T_S(1)为空气预热器出口一次风温度，K；T_S(2)为空气预热器出口二次风温度，K；P_S(烟气)为空气预热器上端面烟气进口压力，kPa；

空气预热器下端面一二次漏风分配比为

其中，K_X为空气预热器下端面一二次漏风分配比；M_X(一)为空气预热器下端面一次风漏风量，kg/h；M_X(二)为空气预热器下端面二次风漏风量，kg/h；X₁为一次风率，％；X₂为二次风率，％；A_X(1)为空气预热器一次风下端面漏风间隙面积，m²；A_X(2)为空气预热器二次风下端面漏风间隙面积，m²；P_X(1)为空气预热器进口一次风压力，kPa；P_X(2)为空气预热器进口二次风压力，kPa；T_X(1)为空气预热器进口一次风温度，K；T_X(2)为空气预热器进口二次风温度，K；P_X(烟气)为空气预热器下端面烟气出口压力，kPa；

(c)进出口烟气温度修正与烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算环节：

将运行中三分仓回转式空气预热器进口烟气温度修正到实际参与换热的进口烟温；将运行中三分仓回转式空气预热器出口烟气温度修正到实际参与换热的出口烟温；定义新的适合三分仓回转式空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算式，并计算出当前空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比；

依据热平衡方程得到修正后的实际参与换热的空气预热器进口烟温为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}=\frac{{100\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′}(K_S+1)+A_{L\left(S\right)}{K}_S{t}_{S\left(1\right)}+A_{L\left(S\right)}{t}_{S\left(2\right)}}{(K_S+1)(A_{L\left(S\right)}+100)}---\left(6\right)$

其中，为空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；K_S为空气预热器上端面一二次漏风分配比；θ′_ky为空气预热器进口实测烟气温度，℃；t_S(1)为空气预热器出口一次风温度，℃；t_S(2)为空气预热器出口二次风温度，℃；

对于三分仓回转式空气预热器下端面，认为漏风只是起到冷却烟气的效果，并没有参与换热，应将实测排烟温度修正到实际参与换热的空气预热器出口烟气温度

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S=\frac{(K_X+1)(A_L+100){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}-A_{L\left(X\right)}(K_X{t}_{X\left(1\right)}+t_{X\left(2\right)})}{(100+A_{L\left(S\right)})(K_X+1)}---\left(7\right)$

其中，为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；θ_py为空气预热器出口实测烟气温度，℃；t_X(1)为空气预热器进口一次风温度，℃；t_X(2)为空气预热器进口二次风温度，℃；A_L为空气预热器总漏风率，％；K_X为空气预热器下端面一二次漏风分配比；A_L(X)为空气预热器下端面的漏风率，％；A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；

对原有空气预热器换热效率的计算表达式进行修正，定义新的适合回转式空气预热器的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算表达式为式(8)和式(9)，并计算出当前实际运行中空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比；

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(8\right)$

$X_R=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{t_S-t_X}---\left(9\right)$

其中，η为当前实际烟气侧换热效率；X_R为当前实际空气热容量和烟气热容量之比；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；t_S为空气预热器上端面的出口加权平均空气温度t_S＝X₁t_S(1)+X₂t_S(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；

(d)烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比应达值的确定环节：

对三分仓回转式空气预热器设计进口烟温和设计出口烟温分别修正到实际参与换热的进出口烟温，并由烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比新定义的计算式计算得到设计条件下空气预热器的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比，即为空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的应达值；

三分仓回转式空气预热器真实换热性能应对设计进口烟气温度和设计出口烟气温度作如下修正计算，对于三分仓回转式空气预热器上端面，只要将设计进口烟温修正到实际参与换热的设计进口烟温即可，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b=\frac{100\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′}{}_b(K_S^b+1)A_{L\left(S\right)}^{b}K_S^{b}t_{S\left(1\right)}^b+A_{L\left(S\right)}^{b}t_{S\left(2\right)}^b}{(K_S^b+1)(A_{L\left(S\right)}^b+100)}---\left(100\right)$

其中，为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；^bθ′_ky为设计空气预热器进口烟气温度，℃；^bt_S(1)为设计空气预热器出口一次风温度，℃；^bt_S(2)为设计空气预热器出口二次风温度，℃；^bK_S为设计空气预热器上端面一二次漏风分配比；^bA_L(S)为设计回转式空气预热器上端面的漏风率，％；

对于三分仓回转式空气预热器下端面，应将空气预热器出口排烟温度修正到实际参与换热的出口烟气温度，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b=\frac{(K_X^b+1)(A_L^b+100)\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^b-A_{L\left(X\right)}^b(K_X^{b}t_{X\left(1\right)}^b+t_{X\left(2\right)}^b)}{(100+A_{L\left(S\right)}^b)(K_X^b+1)}---\left(11\right)$

其中，为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bθ_py为设计空气预热器出口烟气温度，℃；^bt_X(1)为设计空气预热器进口一次风温度，℃；^bt_X(2)为设计空气预热器进口二次风温度，℃；^bK_X为设计空气预热器下端面一二次漏风分配比；^bA_L为设计空气预热器漏风率，％；^bA_L(S)为设计回转式空气预热器上端面的漏风率，％；^bA_L(X)为设计回转式空气预热器下端面的漏风率，％；

由此得到三分仓回转式空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的应达值

${\mathrm{\η}}^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}---\left(12\right)$

其中，η^b为回转式空气预热器烟气侧换热效率应达值；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；

$X_R^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{t_S^b-t_X^b}---\left(13\right)$

其中，为回转式空气预热器空气热容量与烟气热容量之比应达值；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bt_S为设计空气预热器的出口加权平均空气温度^bt_S＝^bX₁ ^bt_S(1)+^bX₂ ^bt_S(2)，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；

(e)实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的修正环节：

将计算得到的当前实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比修正到设计空气预热器实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度条件下，以便和应达值进行比较；

实际参与换热的空气预热器出口烟气温度修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S+\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S)(t_X^b-t_X)+(\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S})({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S-t_X)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(14\right)$

其中，为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；

修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的空气预热器出口空气温度为

$t_S^X=t_S+\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_S)(t_X^b-t_X)+(\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S})(t_S-t_X)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(15\right)$

其中，^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；t_S为空气预热器上端面的出口加权平均空气温度t_S＝X₁t_S(1)+X₂t_S(2)，℃；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；

计算修正后的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比

$\mathrm{\η}_X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}---\left(16\right)$

其中，^Xη为修正后的烟气侧换热效率；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；

$X_R^X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{t_S^X-t_X^b}---\left(17\right)$

其中，^XX_R为修正后的空气热容量和烟气热容量之比；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；

(f)换热性能诊断环节：

将当前实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比与相应的应达值做比较，若当前实际烟气侧换热效率值小于应达值，而空气热容量和烟气热容量之比大于应达值，且空气进出口温差小于设计值，即可判断当前空气预热器换热性能已经下降，

即回转式空气预热器换热性能诊断的关系式为

^Xη＜η^b        (18)

$X_R^X>X_R^b---\left(19\right)$

^Xt_S-^bt_X＜^bt_S-^bt_X       (20)

其中，^Xη为修正后的烟气侧换热效率；η^b为回转式空气预热器烟气侧换热效率应达值；^XX_R为修正后的空气热容量和烟气热容量之比；为回转式空气预热器空气热容量与烟气热容量之比应达值；^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；^bt_S为设计空气预热器的出口加权平均空气温度^bt_S＝^bX₁ ^bt_S(1)+^bX₂ ^bt_S(2)，℃。

本发明的一种三分仓回转式空气预热器换热性能的在线诊断方法的提出，基于以下构思：

1.理论和实践已经证实，回转式空气预热器的漏风较大，并且漏风主要集中在空气预热器的上端面和下端面的径向间隙，尤其上端面径向间隙的漏风对空气预热器换热性能和排烟温度的影响较大，回转式空气预热器其它部位的漏风较小，对空气预热器换热性能影响不大；

2.回转式空气预热器上下两个端面的漏风行程短，时间快，来不及参与正常换热，三分仓回转式空气预热器的一次风流量、风压及风温和二次风流量、风压及风温相差较大，因此，漏入烟气侧的一次风量及风温和二次风量及风温差距较大；

3.回转式空气预热器空气热容量和烟气热容量包含了流量和比热两方面的信息，空气热容量和烟气热容量之比受空气流量、烟气流量、空气温度和烟气温度的同时影响，因变关系复杂，而比热又和温度有关系，如果能说明运行中通过回转式空气预热器的空气流量和烟气流量的比值大于设计值，即说明相对于基准烟气量，通过空气预热器的空气流量增加了，而此时烟气侧换热效率又低于应达值，即可判断回转式空气预热器的换热性能已经降低。

本发明就是基于以上构思，根据三分仓回转式空气预热器漏风的特点和不同部位漏风对空气预热器性能变化的影响，结合烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的物理意义、热平衡理论和计算机技术，进一步提出了实现本发明技术方案所遵循的原理，即：

1.忽略三分仓回转式空气预热器的携带漏风、环向间隙漏风和轴向漏风，近似认为三分仓回转式空气预热器的漏风只存在于上端面和下端面的径向间隙，并通过对回转式空气预热器的漏风试验，合理确定空气预热器上端面和下端面的漏风分配系数，并把上下端面的漏风率分配到一次风和二次风；

2.三分仓回转式空气预热器上下两个端面是漏风量最大的部位，尤其上端面径向间隙漏风对换热性能影响最大，其复杂性在于同时存在漏风和换热过程，而漏风本身对换热有很大影响，难以用纯理论分析方法进行确切描述。本发明认为三分仓回转式空气预热器上端面的漏风行程短，时间快，来不及参与换热，只是温度较低的空气漏入烟气侧冷却烟气，按照这个思路，将三分仓回转式空气预热器的漏风和换热分开，即在上端面，先有漏风冷却烟气过程，后才是空气预热器换热过程，而在下端面，先有换热过程，后才是漏风冷却烟气过程。定义新的适合三分仓回转式空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算式，通过热平衡方程对回转式空气预热器进口烟温和出口烟温进行修正，得到实际参与换热的空气预热器进口烟温和出口烟温值，并由烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比新的表达式计算得到空气预热器的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比；

3.对三分仓回转式空气预热器设计进口烟温和设计出口烟温分别修正到实际参与换热的进出口烟温，并由烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比新定义的计算式计算得到设计条件下空气预热器的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比，即为空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的应达值；

4.将计算得到的当前实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比修正到设计空气预热器实际换热进口烟温和设计进口空气温度条件下，以便和应达值进行比较；

5.将修正得到的当前实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比与其相应的应达值做比较，若当前实际烟气侧换热效率值小于应达值，而空气热容量和烟气热容量之比大于应达值，且空气进出口温差小于设计值，即可诊断为当前空气预热器换热性能已经下降。

本发明的一种三分仓回转式空气预热器换热性能变化在线诊断方法，与现有技术的诊断及评价方法相比，所需测点数据少，计算方法简单精确，且具有方法科学，能够实现自动在线准确诊断等优点。

附图说明

图1ASME PTC4.3-1968标准中对回转式空气预热器漏风处理的示意图；

图2《锅炉机组热力计算标准方法》(73版)中对回转式空气预热器漏风处理的示意图；

图3本发明对三分仓回转式空气预热器漏风处理的示意图；

图4本发明三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断方法流程图；

图5本发明三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断程序简化流程图；

图6本发明三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图3～图6，本发明的三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断方法，包括以下内容：

a数据采集环节

通过数据采集系统采集三分仓回转式空气预热器进出口烟气温度及压力、一次风进出口温度及压力、二次风进出口温度及压力、一次风率和二次风率以及进出口烟气含氧量数据以便对三分仓回转式空气预热器漏风率的计算和空气预热器进口烟气温度、出口烟气温度的修正计算。

本发明三分仓回转式空气预热器需要监测的运行参数清单

空气预热器进口烟气温度(甲)(℃)	空气预热器出口烟气温度(乙)(℃)
		空气预热器进口烟气温度(乙)(℃)	空气预热器进口烟气含氧量(甲)(％)

空气预热器进口烟气压力(甲)(kPa)	空气预热器进口烟气含氧量(乙)(％)
		空气预热器进口烟气压力(乙)(kPa)	空气预热器出口烟气含氧量(甲)(％)
空气预热器出口烟气压力(甲)(kPa)	空气预热器出口烟气含氧量(乙)(％)
		空气预热器出口烟气压力(乙)(kPa)	空气预热器一次风进口温度(甲)(℃)
空气预热器出口烟气温度(甲)(℃)	空气预热器一次风进口温度(乙)(℃)
		空气预热器二次风进口温度(甲)(℃)	空气预热器一次风进口压力(甲)(kPa)
空气预热器二次风进口温度(乙)(℃)	空气预热器一次风进口压力(乙)(kPa)
		空气预热器一次风出口温度(甲)(℃)	空气预热器二次风进口压力(甲)(kPa)
空气预热器一次风出口温度(乙)(℃)	空气预热器二次风进口压力(乙)(kPa)
		空气预热器二次风出口温度(甲)(℃)	空气预热器一次风出口压力(甲)(kPa)
空气预热器二次风出口温度(乙)(℃)	空气预热器一次风出口压力(乙)(kPa)
		空气预热器二次风出口压力(甲)(kPa)	空气预热器二次风出口压力(乙)(kPa)
锅炉一次风率(％)	锅炉二次风率(％)

三分仓回转式空气预热器总漏风率计算式为

$A_L=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})}{21-O_2^{\′\′}}---\left(1\right)$

其中，A_L为空气预热器总漏风率，％；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％。

b.漏风率分配环节

按照对空气预热器漏风实际试验情况确定上端面和下端面的漏风系数分配比，将总的漏风率分配到空气预热器的上端面和下端面，一般情况，当空气预热器运行工况发生变化时，漏风系数分配比变化很小，在计算中取定值对计算结果几乎没有影响。

三分仓回转式空气预热器上端面的漏风率为

$A_{L\left(S\right)}=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})X_S}{21-O_2^{\′\′}}---\left(2\right)$

其中，A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；X_S为空气预热器上端面的漏风分配系数；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％.

三分仓回转式空气预热器下端面的漏风率为

$A_{L\left(X\right)}=\frac{A_L(1-X_S)}{1+\frac{X_S(O_2^{\′\′}-Q_2^{\′})}{21-Q_2^{\′\′}}}---\left(3\right)$

其中，A_L(X)为空气预热器下端面的漏风率，％；A_L为空气预热器总漏风率，％；X_S为空气预热器上端面的漏风分配系数；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％。

定义空气预热器上端面一次漏风量和二次漏风量之比为一二次漏风分配比，并采用式(4)确定，即

其中，K_S为空气预热器上端面一二次漏风分配比；M_S(一)为空气预热器上端面一次风漏风量，kg/h；M_S(二)为空气预热器上端面二次风漏风量，kg/h；X₁为一次风率，％；X₂为二次风率，％；A_S(1)为空气预热器一次风上端面漏风间隙面积，m²；A_S(2)为空气预热器二次风上端面漏风间隙面积，m²；P_S(1)为空气预热器出口一次风压力，kPa；P_S(2)为空气预热器出口二次风压力，kPa；T_S(1)为空气预热器出口一次风温度，K；T_S(2)为空气预热器出口二次风温度，K；P_S(烟气)为空气预热器上端面烟气进口压力，kPa。

由于空气预热器的漏风主要是上下端面的径向间隙的漏风，在忽略一次风、二次风与烟气测交界处径向间隙高度差异的情况下，可认为间隙面积近似为1，实际运行中差异很小，这样处理对计算结果没有影响。同理在求下端面的一二次漏风分配比时，也作同样的处理，就不再赘述。

空气预热器下端面一二次漏风分配比为

其中，K_X为空气预热器下端面一二次漏风分配比；M_X(一)为空气预热器下端面一次风漏风量，kg/h；M_X(二)为空气预热器下端面二次风漏风量，kg/h；X₁为一次风率，％；X₂为二次风率，％；A_X(1)为空气预热器一次风下端面漏风间隙面积，m²；A_X(2)为空气预热器二次风下端面漏风间隙面积，m²；P_X(1)为空气预热器进口一次风压力，kPa；P_X(2)为空气预热器进口二次风压力，kPa；T_X(1)为空气预热器进口一次风温度，K；T_X(2)为空气预热器进口二次风温度，K；P_X(烟气)为空气预热器下端面烟气出口压力，kPa。

c进出口烟气温度修正和烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算环节

将运行中空气预热器进口烟气温度修正到实际参与换热的进口烟温；将运行中空气预热器出口烟气温度修正到实际参与换热的出口烟温。如图3所示，将空气预热器上端面的漏风和空气预热器的换热分开，认为首先是热空气漏入烟气侧，降低空气预热器进口烟温，其次才是烟气参与和空气的换热，依据热平衡方程得到修正后的实际参与换热的空气预热器进口烟温为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}=\frac{{100\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′}(K_S+1)+A_{L\left(S\right)}{K}_S{t}_{S\left(1\right)}+A_{L\left(S\right)}{t}_{S\left(2\right)}}{(K_S+1)(A_{L\left(S\right)}+100)}---\left(6\right)$

其中，为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；K_S为空气预热器上端面一二次漏风分配比；θ′_ky为空气预热器进口实测烟气温度，℃；t_S(1)为空气预热器出口一次风温度，℃；t_S(2)为空气预热器出口二次风温度，℃。

对于三分仓回转式空气预热器下端面，认为漏风只是起到冷却烟气的效果，并没有参与换热，应将实测排烟温度修正到实际参与换热的空气预热器出口烟气温度

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S=\frac{(K_X+1)(A_L+100){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}-A_{L\left(X\right)}(K_X{t}_{X\left(1\right)}+t_{X\left(2\right)})}{(100+A_{L\left(S\right)})(K_X+1)}---\left(7\right)$

其中，为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；θ_py为空气预热器出口实测烟气温度，℃；t_X(1)为空气预热器进口一次风温度，℃；t_X(2)为空气预热器进口二次风温度，℃；A_L为空气预热器总漏风率，％；K_X为空气预热器下端面一二次漏风分配比；A_L(X)为空气预热器下端面的漏风率，％；A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％。

对原有空气预热器换热效率的计算表达式进行修正，定义新的适合回转式空气预热器的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算表达式，见式(8)和式(9)，并计算出当前实际运行中空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比。

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(8\right)$

$X_R=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{t_S-t_X}---\left(9\right)$

其中，η为当前实际烟气侧换热效率；X_R为当前实际空气热容量和烟气热容量之比；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；t_S为空气预热器上端面的出口加权平均空气温度t_S＝X₁t_S(1)+X₂t_S(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃。

d烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比应达值计算环节

设计条件下的换热性能应是三分仓回转式空气预热器换热最理想的换热状态。因此只要找出设计条件下空气预热器真实的换热性能即为三分仓回转式空气预热器换热性能的应达值，三分仓回转式空气预热器真实换热性能应对设计进口烟气温度和设计出口烟气温度作如下修正计算，对于三分仓回转式空气预热器上端面，只要将设计进口烟温修正到实际参与换热的设计进口烟温即可，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b=\frac{100\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′}{}_b(K_S^b+1)A_{L\left(S\right)}^{b}K_S^{b}t_{S\left(1\right)}^b+A_{L\left(S\right)}^{b}t_{S\left(2\right)}^b}{(K_S^b+1)(A_{L\left(S\right)}^b+100)}---\left(100\right)$

其中，为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；^bθ′_ky为设计空气预热器进口烟气温度，℃；^bt_S(1)为设计空气预热器出口一次风温度，℃；^bt_S(2)为设计空气预热器出口二次风温度，℃；^bK_S为设计空气预热器上端面一二次漏风分配比(由实测计算到的上端面一二次漏风分配比修正计算得到， ^bA_L(S)为设计回转式空气预热器上端面的漏风率(由设计空气预热器漏风率乘漏风分配系数得到)，％。

对于三分仓回转式空气预热器下端面，应将空气预热器出口排烟温度修正到实际参与换热的出口烟气温度，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b=\frac{(K_X^b+1)(A_L^b+100)\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^b-A_{L\left(X\right)}^b(K_X^{b}t_{X\left(1\right)}^b+t_{X\left(2\right)}^b)}{(100+A_{L\left(S\right)}^b)(K_X^b+1)}---\left(11\right)$

其中，为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bθ_py为设计空气预热器出口烟气温度，℃；^bt_X(1)为空气预热器进口一次风温度，℃；^bt_X(2)为空气预热器进口二次风温度，℃；^bK_X为设计空气预热器下端面一二次漏风分配比(由实测计算到的上端面一二次漏风分配比修正计算得到， ^bA_L为设计空气预热器漏风率，％；^bA_L(S)为设计回转式空气预热器上端面的漏风率(由设计空气预热器漏风率乘漏风分配系数得到)，％；^bA_L(X)为设计回转式空气预热器下端面的漏风率(由设计空气预热器漏风率并结合式(2)和式(3)变形计算得到)，％。

由此得到三分仓回转式空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的应达值

${\mathrm{\η}}^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}---\left(12\right)$

其中，η^b为回转式空气预热器烟气侧换热效率应达值；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃。

$X_R^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{t_S^b-t_X^b}---\left(13\right)$

其中，为回转式空气预热器空气热容量与烟气热容量之比应达值；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bt_S为设计空气预热器的出口加权平均空气温度^bt_S＝^bX₁ ^bt_S(1)+^bX₂ ^bt_S(2)，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃。

e实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的修正环节

由于实际运行中空气预热器换热进口烟温、进口空气温度与设计值不同，这样必将影响空气预热器的换热性能。因此，应将实际计算到的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度，以便于和应达值进行比较。

实际参与换热的空气预热器出口烟气温度修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S+\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S)(t_X^b-t_X)+(\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S})({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S-t_X)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(14\right)$

其中，为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃。

修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的空气预热器出口空气温度为

$t_S^X=t_S+\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_S)(t_X^b-t_X)+(\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S})(t_S-t_X)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(15\right)$

其中，^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；t_S为空气预热器上端面的出口加权平均空气温度t_S＝X₁t_S(1)+X₂t_S(2)，℃；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃。

计算修正后的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比

$\mathrm{\η}_X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}---\left(16\right)$

其中，^Xη为修正后的烟气侧换热效率；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃。

$X_R^X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{t_S^X-t_X^b}---\left(17\right)$

其中，^XX_R为修正后的空气热容量和烟气热容量之比；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃。

f换热性能诊断环节

事实上烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比不仅包括了进出口烟气温度和进出口风温的信息，也包含了烟气流量和空气流量的信息，由于实际烟气流量和空气流量与设计值不同，也会影响到空气预热器的换热性能，但烟气流量和空气流量的修正需要设计厂家的修正曲线，而实际烟气流量和空气流量又很难测准，因此应避开对烟气流量和空气流量偏离设计值的修正。空气预热器空气热容量和烟气热容量包含了流量和比热两方面的信息，如空气热容量和烟气热容量之比大于应达值、而修正后的进出口空气温差小于设计值(应达值)，说明与设计条件比，实际通过空气预热器的空气流量增加了或者是烟气流量下降了，也有可能是实际空气预热器的空气流量增加，同时烟气量下降，此时若修正后的烟气侧换热效率小于应达值，即可判断当前空气预热器换热性能已经下降。即回转式空气预热器换热性能诊断的关系式为

^Xη＜η^b      (18)

$X_R^X>X_R^b---\left(19\right)$

^Xt_S-^bt_X＜^bt_S-^bt_X      (20)

其中，^Xη为修正后的烟气侧换热效率；η^b为回转式空气预热器烟气侧换热效率应达值；^XX_R为修正后的空气热容量和烟气热容量之比；为回转式空气预热器空气热容量与烟气热容量之比应达值；^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；^bt_S为设计空气预热器的出口加权平均空气温度^bt_S＝^bX₁ ^bt_S(1)+^bX₂ ^bt_S(2)，℃。

本发明的计算机软件程序依据自动化控制、计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

计算实例：现有某300MW锅炉机组及三分仓回转式空气预热器的运行测量数据和设计数据如下表。

锅炉机组及三分仓回转式空气预热器运行测量数据和设计数据

a.数据采集环节

在计算空气预热器总漏风率之前，首先计算空气预热器进出口平均烟气含氧量，由空气预热器进口甲乙两侧烟气含氧量可得空气预热器进口平均烟气含氧量为

$O_2^{\′}=\frac{2.90+2.93}{2}\%=2.915\%;$

由空气预热器出口甲乙两侧烟气含氧量可得空气预热器出口平均烟气含氧量为

$O_2^{\′\′}=\frac{4.1+4.93}{2}\%=4.515\%;$

三分仓回转式空气预热器总漏风率为

$A_L=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})}{21-O_2^{\′\′}}=\frac{90\×(4.515-2.945)}{21-4.515}=8.735\%.$

b.漏风率分配环节

三分仓回转式空气预热器上端面的漏风率为

$A_{L\left(S\right)}=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})X_S}{21-O_2^{\′\′}}\%=\frac{90\×(4.515-2.915)\×0.5}{21-4.515}=4.368\%;$

三分仓回转式空气预热器下端面的漏风率为

$A_{L\left(X\right)}=\frac{A_L(1-X_S)}{1+\frac{X_S(O_2^{\′\′}-Q_2^{\′})}{21-Q_2^{\′\′}}}=\frac{8.735\×(1-0.5)}{1+\frac{0.5\×(4.515-2.915)}{21-4.515}}=4.165\%;$

由空气预热器上端面甲乙两侧一次风出口温度可得空气预热器上端面一次风出口温度为

$R_{S\left(1\right)}=t_{S\left(1\right)}+273.15=\frac{317+320}{2}+273.15=318.5+273.15=591.65L;$

由空气预热器上端面甲乙两侧二次风出口温度可得空气预热器上端面二次风出口温度为

$T_{S\left(2\right)}=t_{S\left(2\right)}+273.15=\frac{324.4+322.6}{2}+273.15=323.5+273.15=596.65K;$

由空气预热器上端面甲乙两侧一次风出口压力可得空气预热器上端面一次风出口压力为

$P_{S\left(1\right)}=\frac{8.34+8.78}{2}=8.56\mathrm{kPa};$

由空气预热器上端面甲乙两侧二次风出口压力可得空气预热器上端面二次风出口压力为

$P_{S\left(2\right)}=\frac{0.46+0.38}{2}=0.42\mathrm{kPa};$

由空气预热器上端面甲乙两侧烟气进口压力可得空气预热器上端面烟气进口压力为

由于空气预热器的漏风主要是上下端面的径向间隙的漏风，在忽略一次风、二次风与烟气测交界处径向间隙高度差异的情况下，可认为间隙面积近似为1，实际运行中差异很小，这样处理对计算结果没有影响。同理在求下端面的一二次漏风分配比时，也作同样的处理，就不再赘述。

上端面一二次漏风分配比为

由空气预热器下端面甲乙两侧一次风进口温度可得空气预热器下端面一次风进口温度为

$T_{X\left(1\right)}=t_{X\left(1\right)}+273.15=\frac{26.8+28}{2}+273.15=27.4+293.15=300.55K;$

由空气预热器下端面甲乙两侧二次风进口温度可得空气预热器下端面二次风进口温度为

$T_{X\left(2\right)}=t_{X\left(2\right)}+273.15=\frac{20.1+21.7}{2}+273.15=20.9+273.15=294.05K;$

由空气预热器下端面甲乙两侧一次风进口压力可得空气预热器下端面一次风进口压力为

$P_{X\left(1\right)}=\frac{9.58+9.64}{2}=9.61\mathrm{kPa};$

由空气预热器下端面甲乙两侧二次风进口压力可得空气预热器下端面二次风进口压力为

$P_{X\left(2\right)}=\frac{1.51+1.47}{2}=1.49\mathrm{kPa};$

由空气预热器下端面甲乙两侧烟气出口压力可得空气预热器下端面烟气出口压力为

下端面一二次漏风分配比为

c进出口烟气温度修正和烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算环节由空气预热器甲乙两侧进口烟气温度可得空气预热器进口平均烟气温度为

依据热平衡方程得到修正后的实际参与换热的空气预热器进口烟温

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}=\frac{{100\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′}(K_S+1)+A_{L\left(S\right)}{K}_S{t}_{S\left(1\right)}+A_{L\left(S\right)}{t}_{S\left(2\right)}}{(K_S+1)(A_{L\left(S\right)}+100)}\\ =\frac{100\×376\×(1+3.085)+4.368\×3.085\×318.5+4.368\×323.5}{(3.085+1)(4.368+100)}\\ =373.645\end{array}$

由空气预热器甲乙两侧出口烟气温度可得空气预热器平均出口烟气温度为

实际参与换热的空气预热器出口烟气温度为

空气预热器平均进口空气温度为

空气预热器平均出口空气温度为

空气预热器实测烟气侧换热效率为

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}=\frac{373.645-132.0013}{373.645-22.324}=0.688;$

空气预热器空气热容量和烟气热容量之比

$X_R=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{t_S-t_X}=\frac{373.645-132.013}{322.405-22.324}=0.805.$

d烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比应达值计算环节

设计空气预热器上端面漏风率为

^bA_L(S)＝6×0.5％＝3％；

由于在实际运行中，空气预热器进出口空气、烟气的压力和温度变化不大，且在数值上对上下端面一二次漏风分配比的影响较小，其主要是受锅炉一二次风率的影响，因此设计中的上下端面一二次漏风分配比应在实测漏风分配比的基础上进行修正即可。

设计上端面一二次漏风分配比为

$K_S^b=K_S\frac{X_2}{X_1}\frac{X_1^b}{X_2^b}=3.085\×\frac{78.1}{21.9}\×\frac{24}{76}=3.474$

实际参与换热的设计进口烟温为

设计空气预热器下端面漏风率由式(2)和式(3)可变形得到为

$A_{L\left(X\right)}^b=\frac{6\×(1-0.5)}{1+\frac{0.5\×6}{90}}\%=2.903\%;$

设计下端面一二次漏风分配比为

$K_X^b=K_X\frac{X_2}{X_1}\frac{X_1^b}{X_2^b}=1.242\×\frac{78.1}{21.9}\×\frac{24}{76}=1.399$

修正到设计实际参与换热的出口烟气温度为

设计空气预热器出口风温度为

设计空气预热器进口风温度为

烟气侧换热效率应达值为

${\mathrm{\η}}^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}=\frac{371.887-127.01}{371.887-19.96}=0.696;$

空气热容量和烟气热容量之比的应达值

$X_R^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{t_S^b-t_X^b}=\frac{371.887-127.01}{339.08-19.96}=0.767.$

e实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的修正环节

实际参与换热的空气预热器出口烟气温度修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下，即

修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的空气预热器出口空气温度为

计算修正后的烟气侧换热效率为

$\mathrm{\η}_X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}=\frac{371.887-129.838}{371.887-19.96}=0.688;$

修正后空气热容量和烟气热容量之比为

$X_R^X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{t_S^X-t_X^b}=\frac{371.887-129.838}{320.559-19.96}=0.805;$

f换热性能诊断环节

由于满足回转式空气预热器换热性能诊断的关系式，即

^Xη＝0.688＜η^b＝0.696；

$X_R^X=0.805>X_R^b=0.767;$

^Xt_S-^bt_X＝320.559-19.96＝300.599＜^bt_S-^bt_X＝339.08-19.96＝319.12；

诊断结果：“该空气预热器目前的换热性能已经下降”。

Claims (1)

1.一种三分仓回转式空气预热器换热性能在线诊断方法，其特征在于，它包括:

(a)数据采集环节：

通过数据采集系统采集三分仓回转式空气预热器进出口烟气温度和压力、一次风进出口温度和压力、二次风进出口温度和压力、一次风率和二次风率及进出口烟气含氧量数据以便对三分仓回转式空气预热器漏风率的计算和空气预热器进口烟气温度、出口烟气温度的修正计算；

三分仓回转式空气预热器总漏风率计算式为

$A_L=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})}{21-O_2^{\′\′}}---\left(1\right)$

其中，A_L为空气预热器总漏风率，％；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％；

(b)漏风率分配环节：

由三分仓回转式空气预热器进出口含氧量计算空气预热器总的漏风率，按照对空气预热器漏风实际试验情况确定上端面和下端面的漏风分配系数，将总的漏风率分配到空气预热器的上端面和下端面，采用三分仓回转式空气预热器进出口烟气和一、二次风的压力、温度及一、二次风率的数值把上下端面的漏风率分配到一次风和二次风；

三分仓回转式空气预热器上端面的漏风率为

$A_{L\left(S\right)}=\frac{90(O_2^{\′\′}-O_2^{\′})X_S}{21-O_2^{\′\′}}---\left(2\right)$

其中，A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；X_S为空气预热器上端面的漏风分配系数；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％；

三分仓回转式空气预热器下端面的漏风率为

$A_{L\left(X\right)}=\frac{A_L(1-X_S)}{1+\frac{X_S(O_2^{\′\′}-Q_2^{\′})}{21-Q_2^{\′\′}}}---\left(3\right)$

其中，A_L(X)为空气预热器下端面的漏风率，％；A_L为空气预热器总漏风率，％；X_S为空气预热器上端面的漏风分配系数；O₂″为空气预热器烟气出口含氧量平均值，％；O₂′为空气预热器烟气进口含氧量平均值，％；

定义空气预热器上端面一次漏风量和二次漏风量之比为一、二次漏风分配比，并采用式(4)确定，即

其中，K_S为空气预热器上端面一二次漏风分配比；M_S(一)为空气预热器上端面一次风漏风量，kg/h；M_S(二)为空气预热器上端面二次风漏风量，kg/h；X₁为一次风率，％；X₂为二次风率，％；A_S(1)为空气预热器一次风上端面漏风间隙面积，m²；A_S(2)为空气预热器二次风上端面漏风间隙面积，m²；P_S(1)为空气预热器出口一次风压力，kPa；P_S(2)为空气预热器出口二次风压力，kPa；T_S(1)为空气预热器出口一次风温度，K；T_S(2)为空气预热器出口二次风温度，K；P_S(烟气)为空气预热器上端面烟气进口压力，kPa；

空气预热器下端面一二次漏风分配比为

其中，K_X为空气预热器下端面一二次漏风分配比；M_X(一)为空气预热器下端面一次风漏风量，kg/h；M_X(二)为空气预热器下端面二次风漏风量，kg/h；X₁为一次风率，％；X₂为二次风率，％；A_X(1)为空气预热器一次风下端面漏风间隙面积，m²；A_X(2)为空气预热器二次风下端面漏风间隙面积，m²；P_X(1)为空气预热器进口一次风压力，kPa；P_X(2)为空气预热器进口二次风压力，kPa；T_X(1)为空气预热器进口一次风温度，K；T_X(2)为空气预热器进口二次风温度，K；P_X(烟气)为空气预热器下端面烟气出口压力，kPa；

(c)进出口烟气温度修正与烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算环节：

将运行中三分仓回转式空气预热器进口烟气温度修正到实际参与换热的进口烟温；将运行中三分仓回转式空气预热器出口烟气温度修正到实际参与换热的出口烟温；定义新的适合三分仓回转式空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算式，并计算出当前空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比；

依据热平衡方程得到修正后的实际参与换热的空气预热器进口烟温为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}=\frac{100{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′}(K_S+1)+A_{L\left(S\right)}{K}_S{t}_{S\left(1\right)}+A_{L\left(S\right)}{t}_{S\left(2\right)}}{(K_S+1)(A_{L\left(S\right)}+100)}---\left(6\right)$

其中，为空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；K_S为空气预热器上端面一二次漏风分配比；θ_ky′为空气预热器进口实测烟气温度，℃；t_S(1)为空气预热器出口一次风温度，℃；t_S(2)为空气预热器出口二次风温度，℃；

对于三分仓回转式空气预热器下端面，认为漏风只是起到冷却烟气的效果，并没有参与换热，应将实测排烟温度修正到实际参与换热的空气预热器出口烟气温度

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S=\frac{(K_X+1)(A_L+100){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}-A_{L\left(X\right)}(K_X{t}_{X\left(1\right)}+t_{X\left(2\right)})}{(100+A_{L\left(S\right)})(K_X+1)}---\left(7\right)$

其中，为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；θ_py为空气预热器出口实测烟气温度，℃；t_X(1)为空气预热器进口一次风温度，℃；t_X(2)为空气预热器进口二次风温度，℃；A_L为空气预热器总漏风率，％；K_X为空气预热器下端面一二次漏风分配比；A_L(X)为空气预热器下端面的漏风率，％；A_L(S)为空气预热器上端面的漏风率，％；

对原有空气预热器换热效率的计算表达式进行修正，定义新的适合回转式空气预热器的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的计算表达式为式(8)和式(9)，并计算出当前实际运行中空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比；

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(8\right)$

$X_R=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S}{t_S-t_X}---\left(9\right)$

其中，η为当前实际烟气侧换热效率；X_R为当前实际空气热容量和烟气热容量之比；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；t_S为空气预热器上端面的出口加权平均空气温度t_S＝X₁t_S(1)+X₂t_S(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；

(d)烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比应达值的确定环节：

对三分仓回转式空气预热器设计进口烟温和设计出口烟温分别修正到实际参与换热的进出口烟温，并由烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比新定义的计算式计算得到设计条件下空气预热器的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比，即为空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的应达值；

三分仓回转式空气预热器真实换热性能应对设计进口烟气温度和设计出口烟气温度作如下修正计算，对于三分仓回转式空气预热器上端面，只要将设计进口烟温修正到实际参与换热的设计进口烟温即可，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b=\frac{100\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′}{}_b(K_S^b+1)+A_{L\left(S\right)}^{b}K_S^{b}t_{S\left(1\right)}^b+A_{L\left(S\right)}^{b}t_{S\left(2\right)}^b}{(K_S^b+1)(A_{L\left(S\right)}^b+100)}---\left(10\right)$

其中，为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为设计空气预热器进口烟气温度，℃；^bt_S(1)为设计空气预热器出口一次风温度，℃；^bt_S(2)为设计空气预热器出口二次风温度，℃；^bK_S为设计空气预热器上端面一二次漏风分配比；^bA_L(S)为设计回转式空气预热器上端面的漏风率，％；

对于三分仓回转式空气预热器下端面，应将空气预热器出口排烟温度修正到实际参与换热的出口烟气温度，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b=\frac{(K_X^b+1)(A_L^b+100)\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^b-A_{L\left(X\right)}^b(K_X^{b}t_{X\left(1\right)}^b+t_{X\left(2\right)}^b)}{(100+A_{L\left(S\right)}^b)(K_X^b+1)}---\left(11\right)$

其中，为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bθ_py为设计空气预热器出口烟气温度，℃；^bt_X(1)为设计空气预热器进口一次风温度，℃；^bt_X(2)为设计空气预热器进口二次风温度，℃；^bK_X为设计空气预热器下端面一二次漏风分配比；^bA_L为设计空气预热器漏风率，％；^bA_L(S)为设计回转式空气预热器上端面的漏风率，％；^bA_L(X)为设计回转式空气预热器下端面的漏风率，％；

由此得到三分仓回转式空气预热器烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的应达值

${\mathrm{\η}}^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}---\left(12\right)$

其中，η^b为回转式空气预热器烟气侧换热效率应达值；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；

$X_R^b=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_b}{t_S^b-t_X^b}---\left(13\right)$

其中，为回转式空气预热器空气热容量与烟气热容量之比应达值；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为设计空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；^bt_S为设计空气预热器的出口加权平均空气温度^bt_S＝^bX₁ ^bt_S(1)+^bX₂ ^bt_S(2)，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；

(e)实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比的修正环节：

将计算得到的当前实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比修正到设计空气预热器实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度条件下，以便和应达值进行比较；

实际参与换热的空气预热器出口烟气温度修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下，即

$\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S+\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S)(t_X^b-t_X)+(\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S})({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{py}}^S-t_X)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(14\right)$

其中，为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；为空气预热器实际参与换热的出口烟气温度，℃；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；

修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的空气预热器出口空气温度为

$t_s^X=t_s+\frac{({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_s)(t_X^b-t_X)+(\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S})(t_S-t_X)}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ky}}^{\′S}-t_X}---\left(15\right)$

其中，^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；t_S为空气预热器上端面的出口加权平均空气温度t_S＝X₁t_S(1)+X₂t_S(2)，℃；为空气预热器实际参加换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；t_X为空气预热器的进口加权平均空气温度t_X＝X₁t_X(1)+X₂t_X(2)，℃；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；

计算修正后的烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比

$\mathrm{\η}_X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-t_X^b}---\left(16\right)$

其中，^Xη为修正后的烟气侧换热效率；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；

$X_R^X=\frac{\mathrm{\θ}_{\mathrm{ky}}^{\′S}{}_b-\mathrm{\θ}_{\mathrm{py}}^S{}_X}{t_S^X-t_X^b}---\left(17\right)$

其中，^XX_R为修正后的空气热容量和烟气热容量之比；为设计空气预热器实际参与换热的进口烟气温度，℃；为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口烟温，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；

(f)换热性能诊断环节：

将当前实际烟气侧换热效率、空气热容量和烟气热容量之比与相应的应达值做比较，若当前实际烟气侧换热效率值小于应达值，而空气热容量和烟气热容量之比大于应达值，且空气进出口温差小于设计值，即可判断当前空气预热器换热性能已经下降，

即回转式空气预热器换热性能诊断的关系式为

^Xη＜η^b                             (18)

$X_R^X>X_R^b---\left(19\right)$

^Xt_S-^bt_X＜^bt_S-^bt_X                        (20)

其中，^Xη为修正后的烟气侧换热效率；η^b为回转式空气预热器烟气侧换热效率应达值；^XX_R为修正后的空气热容量和烟气热容量之比；为回转式空气预热器空气热容量与烟气热容量之比应达值；^Xt_S为修正到设计实际参与换热进口烟温和设计进口空气温度下的实际空气预热器出口风温，℃；^bt_X为设计空气预热器的进口加权平均空气温度^bt_X＝^bX₁ ^bt_X(1)+^bX₂ ^bt_X(2)，℃；^bt_S为设计空气预热器的出口加权平均空气温度^bt_S＝^bX₁ ^bt_S(1)+^bX₂ ^bt_S(2)，℃。