高建強(qiáng)，張　晨

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

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四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器動態(tài)特性仿真研究

高建強(qiáng)，張晨

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

以300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組為研究對象，建立了四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的數(shù)學(xué)模型，并基于一體化仿真平臺，建立了仿真模型。通過漏風(fēng)擾動試驗，分析了B-MCR工況下鍋爐主要運行參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率的增大，四分倉出口排煙溫度下降，一次再循環(huán)煙氣和氧氣溫度上升；爐內(nèi)絕熱燃燒溫度升高和三原子氣體發(fā)射率增大，使水冷壁輻射換熱量增多；主蒸汽量增多，主汽壓力升高，主汽溫度下降，不但影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，也威脅著機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。因此，減小四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對于富氧煤粉燃燒鍋爐具有重要意義。

300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組；四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器；漏風(fēng)；運行特性

0　引言

近年在火力發(fā)電領(lǐng)域，富氧煤粉燃燒技術(shù)是電廠CO2減排、捕集的技術(shù)之一[1]。如富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組在省煤器后設(shè)置類似于空氣預(yù)熱器的氣氣預(yù)熱器，既回收了排煙余熱，也預(yù)熱了制粉系統(tǒng)干燥所需的一次再循環(huán)煙氣及送入爐膛的氧氣[2]。四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器將壓頭最高的一次再循環(huán)煙氣分為兩路，將氧氣倉放置于兩個一次再循環(huán)煙氣倉中間，可有效減少氧氣向排煙的泄漏量。但是四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器與常規(guī)回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器一樣存在較多的漏風(fēng)問題[3-4]，其中較為嚴(yán)重的是，壓頭較高的一次再循環(huán)煙氣會通過密封裝置的間隙漏入壓頭較低的排煙中，使一次再循環(huán)煙氣量減少，給制粉系統(tǒng)的運行參數(shù)產(chǎn)生影響。討論四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)情況下，富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組運行參數(shù)的變化規(guī)律，對該鍋爐機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和安全運行有著重要的參考意義。

一些學(xué)者對于常規(guī)回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器漏風(fēng)問題的研究，文獻(xiàn)[5]采用機(jī)理分析的研究方法，通過分析回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)的機(jī)理及模型，闡述漏風(fēng)過高所造成的危害，針對影響漏風(fēng)的因素分析和總結(jié)了降低漏風(fēng)的原理及方法；文獻(xiàn)[6]研究了空氣預(yù)熱器不同部位漏風(fēng)系數(shù)變化對鍋爐效率的影響，得到空氣預(yù)熱器熱端漏風(fēng)系數(shù)變化對鍋爐效率的影響大于冷端的結(jié)論；文獻(xiàn)[7]采用熱力計算的研究方法，以某400 MW再熱燃煤鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器為例，在熱風(fēng)總量不變的情況下，對空預(yù)器軸向進(jìn)行離散化處理，計算并比較不同軸向漏風(fēng)分布時的熱風(fēng)和排煙溫度。但文獻(xiàn)[5-7]20并沒有分析富氧燃煤機(jī)組四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對鍋爐機(jī)組運行特性的影響，一次再循環(huán)煙氣漏風(fēng)后對富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組運行特性的影響區(qū)別于一般空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對常規(guī)鍋爐機(jī)組運行特性的影響，需加以研究討論。

以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的實時動態(tài)仿真已成為熱力系統(tǒng)動態(tài)特性研究的主要手段之一，廣泛應(yīng)用于技術(shù)方案研判、控制策略論證、運行特性分析、人員培訓(xùn)等領(lǐng)域[8-9]。本文采用的一體化模型開發(fā)平臺，即具有在線模塊化模型開發(fā)、調(diào)試、運行等功能[10-11],將四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器仿真模型與300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組仿真模型進(jìn)行耦合，通過漏風(fēng)仿真試驗，討論四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組運行參數(shù)的影響。

1　四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的模型的建立

1.1數(shù)學(xué)模型的建立

圖1為300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的受熱面分布簡圖。其換熱過程是由蓄熱元件與各倉工質(zhì)的熱交換并通過蓄熱元件的旋轉(zhuǎn)運動而將熱量由高溫排氣依次傳給一次再循環(huán)煙氣Ⅰ路、氧氣和一次再循環(huán)煙氣Ⅱ路的。建模時采用集中參數(shù)法，并做出如下簡化：

(1)一次再循環(huán)煙氣在入口處漏往排煙的出口處。

(2)一次再循環(huán)煙氣往氧氣倉里無泄露。

(3)暫不考慮由壓差和間隙存在所造成的攜帶漏風(fēng)。

圖1　四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的受熱面分布簡圖

1.1.1 四分倉回轉(zhuǎn)式漏風(fēng)率的確定

四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率定義為一次再循環(huán)煙氣倉漏往排煙倉的煙氣量與一次再循環(huán)煙氣量的比值，記為Δα。

(1)

式中：ΔV為一次再循環(huán)煙氣的漏風(fēng)量，m3/s；Vp為一次再循環(huán)煙氣量，m3/s。

1.1.2各倉出口流量計算

高溫?zé)煔鈧}出口煙氣流量：

(2)

一次再循環(huán)煙氣Ⅰ路出口流量：

(3)

一次再循環(huán)煙氣Ⅱ路出口流量：

(4)

式中：Wg2，Wp12，Wp22分別為高溫?zé)煔鈧}、 一次再循環(huán)煙氣Ⅰ、Ⅱ路出口流量，kg/s；Wg1，Wp11，Wp21為煙氣、一次再循環(huán)煙氣Ⅰ、Ⅱ路入口流量，kg/s；WpL1，WpL2分別為一次再循環(huán)煙氣Ⅰ、Ⅱ路漏到排煙側(cè)的煙氣量，kg/s；各漏風(fēng)量按如下方法簡化計算。

一次再循環(huán)煙氣Ⅰ路往排煙側(cè)泄漏量：

(5)

一次再循環(huán)煙氣Ⅱ路往排煙側(cè)泄漏量：

(6)

式中：CL1，CL2為漏風(fēng)導(dǎo)納，其值可以根據(jù)設(shè)計或?qū)崪y的漏風(fēng)率推算得到；Pg和Pp分別為排煙壓力和一次再循環(huán)煙氣壓力，kPa。

1.1.3各倉蓄熱元件換熱計算

模型假設(shè)因蓄熱元件的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動而產(chǎn)生一定的蓄熱元件金屬流量Mf，kg/s。設(shè)各倉的蓄熱元件當(dāng)量質(zhì)量分別為Mg，Mp1，Ms，Mp2則其能量守恒方程為：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Q1，Q2，Q3，Q4分別為排煙倉、一次再循環(huán)煙氣Ⅰ路、氧氣倉和一次再循環(huán)煙氣Ⅱ路的散熱量，kJ/s；Cpm為蓄熱元件的金屬比熱容，J/(kg·K)；Qgt，Qp1t，Qst，Qp2t分別為排煙倉、一次再循環(huán)煙氣Ⅰ路、氧氣倉和一次再循環(huán)煙氣Ⅱ路的換熱量，kJ/s。

1.2仿真模型的建立

采用FORTRAN語言將上述四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的數(shù)學(xué)模型編寫成計算機(jī)程序，建立仿真算法，放于一體化模型開發(fā)平臺(IMMS)的算法庫中，即可用于建立回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的仿真模型。

借助一體化模型開發(fā)平臺，按照空預(yù)器工作過程中相關(guān)參數(shù)的傳遞關(guān)系，連接各設(shè)備、過程仿真模塊的輸入輸出變量，即可完成四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的建模工作，其算法名為AIRHTR4，同樣，將四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的邊界模塊與其他系統(tǒng)仿真模塊進(jìn)行連接，構(gòu)成一個完整的300 MW富氧燃煤鍋爐機(jī)組仿真模型，如表1所示為該機(jī)組部分模型。

表1　300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組模塊列表

2　仿真試驗與分析

以300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組為研究對象，鍋爐機(jī)組的主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2　300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組主要參數(shù)

利用建立的300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組仿真模型，對BMCR工況下不同漏風(fēng)率進(jìn)行靜態(tài)仿真試驗，分析各倉出口溫度、主汽溫度、主汽壓力和主汽流量等參數(shù)的變化規(guī)律。

2.1漏風(fēng)對各倉出口溫度的影響

如圖2中(a)、(b)、(c)和(d)所示，隨四分倉漏風(fēng)率Δα增加，一次再循環(huán)煙氣漏入排煙倉的煙氣量增加，排煙溫度tg2隨著Δα的增大而呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)一次再循環(huán)煙氣Ⅰ、Ⅱ路的煙氣量減少時，單位煙氣流量與蓄熱元件的換熱量增大，致使一次再循環(huán)煙氣Ⅰ、Ⅱ路出口煙溫tp11,tp12上升。同時，由于蓄熱元件進(jìn)入氧氣倉時的溫度升高，其與氧氣的換熱溫差增大，使氧氣出口溫度ts2上升。

圖2　四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器各倉出口煙溫與其漏風(fēng)率的關(guān)系

由圖2可看出，當(dāng)漏風(fēng)率每增加2%時，排煙溫度tg2下降約0.6 ℃，氧氣出口溫度ts2上升0.7 ℃左右，而一次再循環(huán)煙氣Ⅰ、Ⅱ路出口煙溫tp11,tp12分別增大約1 ℃和1.2 ℃。

2.2漏風(fēng)對爐內(nèi)輻射換熱的影響

由圖3(a)和(b) 可見，當(dāng)四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器發(fā)生漏風(fēng)時，爐膛煙氣量減少，火焰中心下移，爐內(nèi)最高煙溫下移，爐膛絕熱燃燒溫度Tiso升高。爐內(nèi)平均換熱溫差和三原子氣體發(fā)射率ε增大，使水冷壁的輻射換熱量Qf增加，爐膛出口煙溫T″f下降。

圖3　漏風(fēng)率對爐內(nèi)輻射換熱的影響

由圖3可看出，當(dāng)漏風(fēng)率每增加2%時，爐膛絕熱燃燒溫度Tiso升高約5 ℃，而爐膛出口煙溫T″f下降4 ℃左右，水冷壁的輻射換熱量Qf增加約4×106W。

2.3四分倉回轉(zhuǎn)式氣氣換熱器漏風(fēng)對主蒸汽參數(shù)的影響

如圖4中(a)、(b)和(c)所示，當(dāng)四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率Δα增大時，水冷壁的輻射換熱量增加導(dǎo)致汽包蒸發(fā)量增大，機(jī)組主蒸汽量Dms增多，主汽壓力Pms升高。但是，汽包蒸發(fā)量增大也使單位質(zhì)量蒸汽吸熱量減少，最終導(dǎo)致主汽溫度Tms下降。主汽流量增大將使汽輪機(jī)末級葉片的負(fù)荷增大；主汽溫度降低，汽輪機(jī)末幾級蒸汽濕度增加，將增大末幾級葉片的濕度損失和縮小末幾級葉片的使用壽命，不但影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，也威脅著機(jī)組的運行安全。

圖4　主汽流量、壓力、溫度與漏風(fēng)率的關(guān)系

由圖4可看出，當(dāng)漏風(fēng)率少于4%時，主蒸汽量Dms近似線性增加，而后趨于平緩，同樣主汽壓力Pms也按同樣的趨勢變化，漏風(fēng)率為4%之前每增大2%時，主汽溫度Tms下降約1.8 ℃，之后變化越來越小。

3　結(jié)論

(1) 對于300 MW富氧煤粉燃燒鍋爐機(jī)組，隨著四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率Δα的增大，四分倉出口排煙溫度下降，一次再循環(huán)煙氣和氧氣溫度上升，但變化不是太大，均在1.5 ℃以下。

(2) 隨著四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率Δα的增大，爐內(nèi)絕熱燃燒溫度升高和三原子氣體發(fā)射率增大，使水冷壁輻射換熱量增多，漏風(fēng)率每增大2%，溫度變化在4～5 ℃。

(3) 隨著四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率Δα的增大，主蒸汽量增多，主汽壓力升高，主汽溫度下降，且變化不穩(wěn)定，這不但影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，也威脅著機(jī)組的運行安全。因此，減小四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對于富氧煤粉燃燒鍋爐具有重要意義。

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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。

高建強(qiáng)(1966-)，男，教授，主要從事系統(tǒng)建模與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