CN111507009B - 一种基于x-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法 - Google Patents

一种基于x-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于X‑比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法，根据空气预热器相关参数计算得到空气预热器设计对数传热温差，进而计算得到空气预热器设计空气侧传热温差、空气预热器设计传热单元数、效能随X‑比的变化率、空气预热器设计X‑比、空气预热器实际工况X‑比以及空气预热器的实际工况烟气侧换热效率，最终得到基于X‑比修正的空气预热器换热效率。本发明依据逆流换热器理论换热模型，根据逆流换热器无因次变量之间的关系，提出基于X‑比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法。与未修正的换热效率相比，可更准确的评价空气预热器本身的换热能力。利用在线监测系统中的历史或实时数据，可相应计算出X‑比修正的空气预热器换热效率。

Description

一种基于X-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法
【技术领域】
本发明属于电力及动力工程技术领域，涉及一种基于X-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法。
【背景技术】
空气预热器是以锅炉尾部烟道中的高温烟气来加热燃烧所需低温空气的换热设备。空气预热器对锅炉的收益主要体现在以下三方面：空气预热器回收高温烟气热量使排烟温度降低，从而提高锅炉效率。空气预热器加热低温空气使燃料和空气的初始温度升高，强化燃料的着火和燃烧，减少相关不完全燃烧损失。空气预热器加热空气使炉膛内的火焰整体温度升高，强化炉内辐射传热。
空气预热器主要有板式、管式和回转式三种形式。目前大中型燃煤机组基本都采用回转式空气预热器。回转式空气预热器具有传热面密度高、质量轻、占地小、布置灵活等优点。
目前主要采用美国机械工程师协会发布的ASME PTC4.3《空气预热器性能试验规程》对回转式空气预热器的换热性能进行分析计算，以空气预热器烟气侧换热效率对空气预热器换热性能进行评价。由于实际运行中煤质变化、锅炉运行参数变化、漏风率变化、烟风系统阻力变化等因素影响，空气预热器中的空气流量与烟气流量的比例会发生变化，进而导致空气预热器烟气侧换热效率会产生较大偏差，不能准确评价空气预热器的换热能力。
【发明内容】
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，依据逆流换热器理论换热模型，根据逆流换热器无因次变量之间的关系，提供一种基于X-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于X-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法，包括步骤：
步骤1，根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算得到空气预热器设计对数传热温差；
步骤2，根据空气预热器设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算得到空气预热器设计空气侧传热温差；
步骤3，根据空气预热器设计对数传热温差、设计空气侧传热温差，计算得到空气预热器设计传热单元数；
步骤4，根据效能和X-比，建立以X-比为自变量、以效能为因变量的函数关系，通过作图分析，计算得到效能随X-比的变化率；
步骤5，根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算空气预热器设计X-比；
步骤6，根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度，计算空气预热器实际工况X-比；
步骤7，根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度，计算空气预热器的实际工况烟气侧换热效率；
步骤8，根据实际工况烟气侧换热效率、实际工况X-比、设计X-比、效能随X-比变化率，计算基于X-比修正的空气预热器换热效率。
本发明进一步的改进在于：
所述步骤1中计算空气预热器设计对数传热温差的具体方法如下：
空气预热器设计进口空气温度是由设计进口一次风温和设计进口二次风温加权计算得到；空气预热器设计出口空气温度是由设计出口一次风温和设计出口二次风温加权计算得到；空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算得到空气预热器设计对数传热温差：
Figure BDA0002463981590000031
式中：ΔTm表示对数传热温差；TGides表示设计进口烟气温度；TGodes表示设计出口烟气温度；TAides表示设计进口空气温度；TAodes表示设计出口空气温度。
所述步骤2中计算空气预热器设计空气侧传热温差的具体方法如下：
根据下式计算得到空气预热器设计空气侧传热温差ΔTA：
ΔTA＝TAodes-TAides
所述步骤3中计算空气预热器设计传热单元数的具体方法如下：
传热单元数NTU是一个反映换热器传热性能的无因次量，对于给定空气预热器是一个常数；根据下式计算得到空气预热器设计传热单元数NTU：
Figure BDA0002463981590000032
所述步骤4中，利用换热器逆流换热模型，X-比XR、效能ε和传热单元数NTU三个无因次量之间存在如下关系：
Figure BDA0002463981590000033
试验工况下的换热效能为：
Figure BDA0002463981590000034
式中：εtest表示试验工况效能；εdes表示设计工况效能；
Figure BDA0002463981590000035
表示效能随X-比的变化率；XRtest表示实际工况X-比；XRdes表示设计工况X-比。
所述步骤5中计算空气预热器设计工况的X-比的具体方法如下：
空气预热器设计进口空气温度是由设计进口一次风温和设计进口二次风温加权计算得到；空气预热器设计出口空气温度是由设计出口一次风温和设计出口二次风温加权计算得到；设计X-比的计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算空气预热器设计工况的X-比XRdes：
Figure BDA0002463981590000041
所述步骤6中计算空气预热器实际工况X-比的具体方法如下：
空气预热器实际进口空气温度是由实际进口一次风温和实际进口二次风温加权计算得到；空气预热器实际出口空气温度是由实际出口一次风温和实际出口二次风温加权计算得到；实际工况X-比的计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算空气预热器实际工况的X-比XRtest：
Figure BDA0002463981590000042
式中：TGitest表示实际进口烟气温度；TGotest表示实际出口烟气温度；TAitest表示实际进口空气温度；TAotest表示实际出口空气温度。
所述步骤7中计算空气预热器的实际工况烟气侧换热效率的具体方法如下：
实际工况烟气侧换热效率计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算空气预热器的实际工况烟气侧换热效率ηtest：
Figure BDA0002463981590000043
所述步骤8中计算基于X-比修正的空气预热器换热效率的具体方法如下：
根据下式计算空气预热器的换热器效能ε：
Figure BDA0002463981590000051
式中：TAi表示进口空气温度；TAo表示出口空气温度；TGi表示进口烟气温度；
则根据X-比、换热效率和换热器效能关系计算得到：
Figure BDA0002463981590000052
则
Figure BDA0002463981590000053
式中：ηtest表示实际工况烟气侧换热效率；ηdes表示设计工况烟气侧换热效率；
以X-比作为修正因子将实际工况空气预热器换热效率修正到设计工况，计算出基于X-比修正的空气预热器换热效率ηcr：
Figure BDA0002463981590000054
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明依据逆流换热器理论换热模型，根据逆流换热器无因次变量之间的关系，提出基于X-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法。与未修正的换热效率相比，可更准确的评价空气预热器本身的换热能力。利用在线监测系统中的历史或实时数据，可相应计算出X-比修正的空气预热器换热效率，本发明适用于运行人员及试验人员，可更准确的了解空气预热器的实际性能及改造效果。
【附图说明】
图1为本发明的方法步骤逻辑框图；
图2为不同NTU值时换热器能效与X-比之间的关系图。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明基于X-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法，包括以下步骤：
步骤1：根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度。
根据下式计算得到空气预热器设计对数传热温差。
Figure BDA0002463981590000071
式中：ΔTm表示对数传热温差，℃；TGides表示设计进口烟气温度，℃；TGodes表示设计出口烟气温度，℃；TAides表示设计进口空气温度，℃；TAodes表示设计出口空气温度，℃。
空气预热器设计进口空气温度是由设计进口一次风温和设计进口二次风温加权计算得到。空气预热器设计出口空气温度是由设计出口一次风温和设计出口二次风温加权计算得到。空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况。
步骤2：根据下式计算得到空气预热器设计空气侧传热温差。
ΔTA＝TAodes-TAides
式中：ΔTA表示空气侧传热温差，℃。
步骤3：根据下式计算得到空气预热器设计传热单元数。
Figure BDA0002463981590000072
式中：NTU表示传热单元数。
传热单元数NTU是一个反映换热器传热性能的无因次量，对于给定空气预热器是一个常数。
步骤4：利用换热器逆流换热模型，X-比XR、效能ε和传热单元数NTU三个无因次量之间存在如下关系式。
Figure BDA0002463981590000081
根据上式中的函数关系，设计传热单元数是一个常数，可以看出因变量效能是一个以X-比为自变量的函数。
对于不同容量锅炉空气预热器NTU值，通过上式进行绘图计算，换热器能效与X-比之间的关系如图2所示，其中采用一系列的NTU来表征相应的空气预热器情况。从图中可以看出，对于不同给定的NTU，换热器能效随着X-比变化的各条曲线基本是平行的。对于一个给定的NTU，换热器能效随着X-比的增加逐渐降低，基本呈线性变化，即曲线斜率基本上不变。可理解为对于给定的空气预热器，效能随X-比的变化率的数值变化很小，可近似认定为常数。
因此试验工况下的换热效能为：
Figure BDA0002463981590000082
式中：εtest表示试验工况效能；εdes表示设计工况效能；
Figure BDA0002463981590000083
表示效能随X-比的变化率；XRtest表示实际工况X-比；XRdes表示设计工况X-比。
步骤5：ASME PTC 4.3中给出X-比的计算方法，根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度。
根据下式计算空气预热器设计工况的X-比。
Figure BDA0002463981590000084
式中：XRdes表示设计X-比。
空气预热器设计进口空气温度是由设计进口一次风温和设计进口二次风温加权计算得到。空气预热器设计出口空气温度是由设计出口一次风温和设计出口二次风温加权计算得到。设计X-比的计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况。
步骤6：通过实际测试得到或者利用在线监测系统中的历史或实时数据。
根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度。
根据下式计算空气预热器实际工况的X-比。
Figure BDA0002463981590000091
式中：XRtest表示实际工况X-比；TGitest表示实际进口烟气温度，℃；TGotest表示实际出口烟气温度，℃；TAitest表示实际进口空气温度，℃；TAotest表示实际出口空气温度，℃。
空气预热器实际进口空气温度是由实际进口一次风温和实际进口二次风温加权计算得到。空气预热器实际出口空气温度是由实际出口一次风温和实际出口二次风温加权计算得到。实际工况X-比的计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况。
步骤7：空气预热器烟气侧换热效率是烟气侧温降与理论最大温差的比值。根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度。
根据下式计算空气预热器的实际工况烟气侧换热效率。
Figure BDA0002463981590000092
式中：ηtest表示实际工况烟气侧换热效率。
实际工况烟气侧换热效率计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况。
步骤8：在空气预热器传热过程中利用换热器效能的概念，根据下式计算空气预热器的换热器效能。
Figure BDA0002463981590000101
式中：ε表示效能；TAi表示进口空气温度，℃；TAo表示出口空气温度，℃；TGi表示进口烟气温度，℃。
则根据X-比、换热效率和换热器效能关系计算可得
Figure BDA0002463981590000102
可以得到
Figure BDA0002463981590000103
式中：ηtest表示实际工况烟气侧换热效率；ηdes表示设计工况烟气侧换热效率。
因此，以X-比作为修正因子将实际工况空气预热器换热效率修正到设计工况，计算出基于X-比修正的空气预热器换热效率，如下。
Figure BDA0002463981590000104
式中：ηcr表示修正后的空气预热器换热效率。
本发明的原理：
本发明根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算得到空气预热器设计对数传热温差；根据空气预热器设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算得到空气预热器设计空气侧传热温差；根据空气预热器设计对数传热温差、设计空气侧传热温差，计算得到空气预热器设计传热单元数；根据效能和X-比，建立以X-比为自变量、以效能为因变量的函数关系，通过作图分析，计算得到效能随X-比的变化率；根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算空气预热器设计X-比；根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度，计算空气预热器实际工况X-比；根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度，计算空气预热器的实际工况烟气侧换热效率；根据实际工况烟气侧换热效率、实际工况X-比、设计X-比、效能随X-比变化率，计算基于X-比修正的空气预热器换热效率。
空气预热器设计进口空气温度是由设计进口一次风温和设计进口二次风温加权计算得到。空气预热器设计出口空气温度是由设计出口一次风温和设计出口二次风温加权计算得到。
实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度均应通过实际测试得到或者利用在线监测系统中的历史或实时数据。
空气预热器实际进口空气温度是由实际进口一次风温和实际进口二次风温加权计算得到。空气预热器实际出口空气温度是由实际出口一次风温和实际出口二次风温加权计算得到。
空气预热器出口烟气温度均应修正到零漏风工况。空气预热器换热效率和X-比的计算中涉及的空气预热器出口烟气温度均应修正到零漏风工况。
实施例：
将上述本发明的方法进行具体实施，以下对计算得到的结果进行举例说明。某600MW机组配备有两台三分仓回转式空气预热器，设计换热效率为69.7％，设计X-比为78.3％，具体设计参数见表1。随着超净排放改造的完成，空气预热器已经过长周期运行，出现较严重的积灰堵塞情况，蓄热元件出现较严重的破损情况。电厂对两台空气预热器进行了蓄热元件更换、密封间隙调整等工作。为准确评价改造前后空气预热器热性能，对额定工况下的空气预热器运行参数进行计算汇总，如表1所示。
表1空气预热器设计值及运行参数
Figure BDA0002463981590000121
改造完成后，随着漏风率下降，掺入烟气中的冷风量减少使得排烟温度有一定程度的升高。不进行修正，改造前的换热效率为67.3％和68.0％，改造后的换热效率为67.7％和67.0％，略低于改造前的换热效率，与设计值有较大的差距，不能体现出空气预热器改造的效果，与实际情况不符。
利用X-比对换热效率进行修正后，改造后的换热效率为69.0％和69.6％，与设计值基本相当，基本达到改造预期效果，空气预热器性能处于较好水平。改造前的换热效率为66.7％和67.2％，低于设计值和改造后的换热效率，与实际情况一致。
本发明为回转式空气预热器本身的换热能力的评价计算方法，具有重要的指导意义和工程应用价值。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于X-比修正的回转式空气预热器换热效率计算方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算得到空气预热器设计对数传热温差；具体方法如下：
空气预热器设计进口空气温度是由设计进口一次风温和设计进口二次风温加权计算得到；空气预热器设计出口空气温度是由设计出口一次风温和设计出口二次风温加权计算得到；空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算得到空气预热器设计对数传热温差：
Figure FDA0004065778400000011
式中：ΔTm表示对数传热温差；TGides表示设计进口烟气温度；TGodes表示设计出口烟气温度；TAides表示设计进口空气温度；TAodes表示设计出口空气温度；
步骤2，根据空气预热器设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算得到空气预热器设计空气侧传热温差；具体方法如下：
根据下式计算得到空气预热器设计空气侧传热温差ΔTA：
ΔTA＝TAodes-TAides；
步骤3，根据空气预热器设计对数传热温差、设计空气侧传热温差，计算得到空气预热器设计传热单元数；具体方法如下：
传热单元数NTU是一个反映换热器传热性能的无因次量，对于给定空气预热器是一个常数；根据下式计算得到空气预热器设计传热单元数NTU：
Figure FDA0004065778400000012
步骤4，根据效能和X-比，建立以X-比为自变量、以效能为因变量的函数关系，通过作图分析，计算得到效能随X-比的变化率；利用换热器逆流换热模型，X-比XR、效能ε和传热单元数NTU三个无因次量之间存在如下关系：
Figure FDA0004065778400000021
试验工况下的换热效能为：
Figure FDA0004065778400000022
式中：εtest表示试验工况效能；εdes表示设计工况效能；
Figure FDA0004065778400000023
表示效能随X-比的变化率；XRtest表示实际工况X-比；XRdes表示设计工况X-比；
步骤5，根据空气预热器设计进口烟气温度、设计出口烟气温度、设计进口空气温度、设计出口空气温度，计算空气预热器设计X-比；具体方法如下：
空气预热器设计进口空气温度是由设计进口一次风温和设计进口二次风温加权计算得到；空气预热器设计出口空气温度是由设计出口一次风温和设计出口二次风温加权计算得到；设计X-比的计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算空气预热器设计工况的X-比XRdes：
Figure FDA0004065778400000024
步骤6，根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度，计算空气预热器实际工况X-比；具体方法如下：
空气预热器实际进口空气温度是由实际进口一次风温和实际进口二次风温加权计算得到；空气预热器实际出口空气温度是由实际出口一次风温和实际出口二次风温加权计算得到；实际工况X-比的计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算空气预热器实际工况的X-比XRtest：
Figure FDA0004065778400000031
式中：TGitest表示实际进口烟气温度；TGotest表示实际出口烟气温度；TAitest表示实际进口空气温度；TAotest表示实际出口空气温度；
步骤7，根据空气预热器实际进口烟气温度、实际出口烟气温度、实际进口空气温度、实际出口空气温度，计算空气预热器的实际工况烟气侧换热效率；具体方法如下：
实际工况烟气侧换热效率计算中涉及的空气预热器出口烟气温度应修正到零漏风工况；根据下式计算空气预热器的实际工况烟气侧换热效率ηtest：
Figure FDA0004065778400000032
步骤8，根据实际工况烟气侧换热效率、实际工况X-比、设计X-比、效能随X-比变化率，计算基于X-比修正的空气预热器换热效率；具体方法如下：
根据下式计算空气预热器的换热器效能ε：
Figure FDA0004065778400000033
式中：TAi表示进口空气温度；TAo表示出口空气温度；TGi表示进口烟气温度；
则根据X-比、换热效率和换热器效能关系计算得到：
Figure FDA0004065778400000034
则
Figure FDA0004065778400000035
式中：ηtest表示实际工况烟气侧换热效率；ηdes表示设计工况烟气侧换热效率；
以X-比作为修正因子将实际工况空气预热器换热效率修正到设计工况，计算出基于X-比修正的空气预热器换热效率ηcr：
Figure FDA0004065778400000041
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