王瑞星，宋 力，田 瑞

（1.洛陽明遠石化技術(shù)有限公司，河南 洛陽 471000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

加熱爐空氣預(yù)熱器普遍存在漏風(fēng)情況，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度及加熱爐熱效率影響較大。通?？諝忸A(yù)熱器的泄漏用空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率來表示，但漏風(fēng)率不能定量反映空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響。目前，沒有非常明確的算法來計算加熱爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對其煙氣出口溫度的影響，而準(zhǔn)確反映漏風(fēng)率與空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的關(guān)系有利于指導(dǎo)日?？諝忸A(yù)熱器的運行、維護和檢修，也關(guān)系到加熱爐熱效率的準(zhǔn)確計算和加熱爐機組的節(jié)能降耗。因此，需要一種計算簡單有效、所需數(shù)據(jù)較少的方法來定量分析空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率變化對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響，研究空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響并進行修正計算具有重要意義。文中基于能量平衡原理推導(dǎo)出了空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對其煙氣出口溫度影響的計算式，并采用計算流體動力學(xué)（CFD）方法對空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響進行模擬計算分析［1-14］。

1 加熱爐空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)及漏風(fēng)原因

典型的加熱爐空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 典型加熱爐空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示圖

空氣預(yù)熱器分為高溫段和低溫模塊，高溫段換熱元件采用全焊接結(jié)構(gòu)，由4個高溫模塊組成。高溫段的換熱板片較薄，一般采用自動焊，焊接質(zhì)量難以保證，換熱板片交界處普遍存在漏風(fēng)。低溫模塊為1個非焊接模塊，換熱元件之間采用螺栓墊片密封。低溫模塊損壞時，非焊接模塊的維修、更換較為方便，但這種結(jié)構(gòu)密封性較差，泄漏較為嚴(yán)重。此外，彎頭箱采用法蘭連接，煙氣側(cè)為負(fù)壓，少量環(huán)境空氣進入煙氣側(cè)，也會導(dǎo)致空氣預(yù)熱器產(chǎn)生微量泄漏。

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)原因主要有以下幾方面，①設(shè)計原因。加熱爐空氣預(yù)熱器是由換熱元件組裝而成，換熱元件之間的裝配間隙易造成漏風(fēng)。②制造原因。換熱元件制造加工精度不夠、換熱元件之間的密封材料缺失等造成空氣預(yù)熱器漏風(fēng)。③安裝原因。空氣預(yù)熱器與加熱爐，以及空氣預(yù)熱器主體與彎頭箱之間一般均采用法蘭連接，法蘭連接容易泄漏。④運行維護原因。加熱爐煙氣中存在SO3，空氣預(yù)熱器壁面溫度較低時，煙氣冷凝液腐蝕換熱元件，造成換熱元件損壞漏風(fēng)。運行一段時間后密封墊片老化變形，鑄鐵換熱元件露點腐蝕穿孔，泄漏加劇。

2 加熱爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)時空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度計算方法

2.1 煙氣側(cè)效率

ASME PTC 4.3—2017《空氣預(yù)熱器實驗規(guī)程》［15］對空氣預(yù)熱器性能的評價相對比較全面，包含了空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率、煙氣側(cè)效率η，其中煙氣側(cè)效率反映了空氣預(yù)熱器的熱力性能，計算式如下：

式中，tg0為進入空氣預(yù)熱器的煙氣進口溫度 （也為空氣預(yù)熱器實際參加換熱的煙氣進口溫度），tg1為空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度，ta0為進入空氣預(yù)熱器的空氣進口溫度，℃。

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)對空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)效率影響較小，假設(shè)空氣預(yù)熱器發(fā)生漏風(fēng)后煙氣側(cè)效率不變，則空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度tout為：

2.2 空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度

2.2.1 熱端漏風(fēng)

加熱爐空氣預(yù)熱器低溫模塊為交錯流形式，其漏風(fēng)分為熱端漏風(fēng)和冷端漏風(fēng)。低溫模塊熱端漏風(fēng)主要是熱端非焊接位置煙氣與空氣交界面處的縫隙漏風(fēng)，空氣從該縫隙漏入煙氣側(cè)后，會很快與煙氣均勻混合，空氣從非焊接位置縫隙泄漏的射流距離遠小于煙氣在空氣預(yù)熱器內(nèi)低溫模塊流動的長度。因此把空氣預(yù)熱器熱端漏風(fēng)看作是熱空氣漏入煙氣側(cè)，使空氣預(yù)熱器進口煙氣溫度降低，進而影響空氣預(yù)熱器的傳熱特性和傳熱效果。從換熱機理講，可將空氣預(yù)熱器熱端漏風(fēng)看作只是降低進口煙氣溫度，并把熱端漏風(fēng)變化對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響歸入到空氣預(yù)熱器進口煙氣溫度變化對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的修正計算中。對于熱端漏風(fēng)，依據(jù)能量平衡原理，有：

式中，ma1l為單位質(zhì)量燃料下熱端漏風(fēng)總質(zhì)量，mg0(nl)為單位質(zhì)量燃料下煙氣進口質(zhì)量，kg/kg；ta1為熱端漏風(fēng)溫度，tg0(nl)為空氣泄漏前低溫模塊煙氣進口溫度，℃；cpa1為空氣溫度從ta1到tg0的平均比定壓熱容，cpg0為煙氣溫度從 tg0到 tg0（nl）的平均比定壓熱容，kJ/（kg·℃）。

結(jié)合式（2）和式（3），假設(shè)空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)效率不變，推導(dǎo)得出空氣預(yù)熱器熱端漏風(fēng)的空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度為：

2.2.2 冷端漏風(fēng)

在空氣預(yù)熱器低溫模塊冷端下端面，空氣從非焊接位置縫隙泄漏的射流距離遠小于煙氣在空氣預(yù)熱器內(nèi)低溫模塊流動的長度，故低溫模塊冷端的漏風(fēng)直接進入空氣預(yù)熱器煙氣出口流出的煙氣中，將空氣預(yù)熱器煙氣出口端的溫度降低。冷端漏風(fēng)的流動路徑并不經(jīng)過空氣預(yù)熱器，沒有參與空氣預(yù)熱器的換熱。對于冷端漏風(fēng)，依據(jù)能量平衡原理，有：

式（5）～式（6）中，ma0l為單位質(zhì)量燃料下冷端空氣泄漏總量，mg1為單位質(zhì)量燃料下空氣預(yù)熱器冷端煙氣量，kg/kg；cpa0為空氣溫度從 ta0到 tout的平均比定壓熱容，cpg1為煙氣從 tout到 toutg1l的平均比定壓熱容，kJ/（kg·℃）。

3 加熱爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)時空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度計算實例

3.1 計算式計算

空氣預(yù)熱器非焊接低溫模塊的泄漏量較大，故以某空氣預(yù)熱器低溫模塊為例，采用文中計算式對空氣預(yù)熱器熱、冷端漏風(fēng)對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響進行修正計算。空氣預(yù)熱器工況條件如下，煙氣組分為體積分?jǐn)?shù)分別是9.48%的CO2、15.52%的 H2O、72.45%的 N2以及 2.55%的 O2，低溫模塊煙氣進口溫度200℃，無漏風(fēng)時煙氣出口溫度130℃，空氣進口溫度20℃，空氣出口溫度170℃，進入低溫模塊O2體積分?jǐn)?shù)2.5%。選定空氣預(yù)熱器冷端漏風(fēng)分配系數(shù)、熱端漏風(fēng)分配系數(shù)均為0.5。采用文中公式對此工況下實測漏風(fēng)率對空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響進行計算，結(jié)果見表1。

分析表1可以知道，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)后，空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度會降低，漏風(fēng)量越大，空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度降低得越多。漏風(fēng)后的空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度并不是空氣預(yù)熱器實際煙氣出口溫度，漏風(fēng)后空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度較低，但煙氣余熱并沒有被充分利用，而是被泄漏介質(zhì)帶走，單一以空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度為條件不能全面衡量空氣預(yù)熱器的性能，應(yīng)該根據(jù)熱平衡進行修正。

表1 不同漏風(fēng)率下空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度公式計算結(jié)果

空氣預(yù)熱器投用后，隨著密封件老化及換熱元件腐蝕，漏風(fēng)量會逐漸增大。當(dāng)空氣預(yù)熱器發(fā)生露點腐蝕時，空氣預(yù)熱器漏風(fēng)量增大，主要發(fā)生在冷端，此條件下加大冷端風(fēng)量分配系數(shù)即可進行空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度計算。

3.2 CFD模擬計算

3.2.1 計算模型

選擇與計算式計算空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度相同的空氣預(yù)熱器為對象，建立三維幾何模型，計算區(qū)域包括空氣預(yù)器換熱元件、空氣進口、空氣出口、煙氣進口和煙氣出口（圖2）。由于空氣預(yù)熱器換熱板片較多，整體計算的計算量較大，故截取部分換熱元件進行CFD換熱模擬計算。周期邊界條件可以看作是由部分的性質(zhì)來推廣表達全局的性質(zhì)，主要用于數(shù)學(xué)建模和計算機仿真中，將具有時空周期性的物理問題簡化為單元進行處理。本算例中，將幾何模型的上、下面設(shè)置為周期性邊界條件，用一個換熱單元來代表整個預(yù)熱器模塊?？諝膺M口為壓力邊界條件，空氣出口為質(zhì)量出口邊界條件，煙氣進口為質(zhì)量流量邊界條件，煙氣出口為壓力出口邊界條件。在低溫模塊的熱端及冷端的煙氣和空氣交界面處設(shè)置泄漏縫隙，煙氣側(cè)和空氣側(cè)上存在壓差，壓力較高的空氣通過所述縫隙進入壓力較低的煙氣側(cè)。

圖2 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)煙氣出口溫度CFD計算幾何模型

3.2.2 空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度

CFD計算收斂之后，提取有關(guān)計算結(jié)果，煙氣進口的煙氣質(zhì)量流量為0.260 000 26 kg/s，煙氣出口的煙氣質(zhì)量流量為0.276 022 08 kg/s，空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度為380.136 95 K。煙氣出口的煙氣質(zhì)量流量增大是因為空氣從縫隙泄漏進入煙氣側(cè)，使煙氣量增加，低溫模塊的泄漏率為6.16%。

將CFD計算模型空氣預(yù)熱器邊界條件中的參數(shù)代入式（2）～式（6），將泄漏率設(shè)定為 6.16%，計算得到空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度為380.640 1 K，稍高于CFD計算結(jié)果。這主要是由于空氣出口質(zhì)量流量保持不變 （供加熱爐燃燒的空氣量不變），泄漏的熱空氣流入煙氣中，泄漏空氣吸收的余熱被煙氣帶走，回收能量減少，致使空氣出口溫度降低，而計算式計算時忽略了此問題。

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)時煙氣出口溫度CFD模擬計算及計算式計算結(jié)果見表2。

表2 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)時煙氣出口溫度CFD模擬計算及計算式計算結(jié)果 ℃

3.2.3 溫度分布

空氣預(yù)熱器有無漏風(fēng)時空氣側(cè)切面煙氣溫度分布對比見圖3。由圖3可以看出，煙氣溫度在空氣預(yù)熱器端面外緣的變化較大，熱端的溫度變化梯度比冷端的溫度變化梯度大，熱端煙氣和空氣的溫差大于冷端煙氣和空氣的溫差。煙氣側(cè)熱端與空氣進口端交叉處的溫度變化梯度最為明顯，此處冷空氣泄漏后直接與煙氣混合，故溫度變化顯著。

圖3 有無漏風(fēng)時空氣預(yù)熱器空氣側(cè)切面煙氣溫度分布

3.2.4 氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

有無漏風(fēng)時空氣預(yù)熱器空氣側(cè)切面氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見圖4。由圖4可知，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)在空氣預(yù)熱器端面外緣的變化較大，熱端的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化梯度比冷端的大。空氣預(yù)熱器熱端漏風(fēng)時，泄漏空氣流動方向與煙氣流動方向相反，混合較快，混合所需距離遠小于換熱元件的幾何尺寸，可以將空氣預(yù)熱器熱端漏風(fēng)看作只是降低進口煙氣溫度，這與前述分析假設(shè)一致?？諝忸A(yù)熱器低溫模塊冷端漏風(fēng)的射流方向與煙氣流向一致，但其混合所需距離也遠小于空氣預(yù)熱器換熱元件的幾何尺寸，實際測量空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度時二者已經(jīng)混合均勻。

圖4 有無漏風(fēng)時空氣預(yù)熱器空氣側(cè)切面氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

4 結(jié)語

準(zhǔn)確定量分析空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率變化對加熱爐空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的影響，對于加熱爐的運行、維護和節(jié)能降耗具有重要意義。基于能量守恒原理，提出了一種空氣預(yù)熱器漏風(fēng)時空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度的修正計算方法。采用該方法的實例計算結(jié)果表明，空氣預(yù)熱器存在漏風(fēng)時空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度會降低，漏風(fēng)量越大，空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度降低得越多，漏風(fēng)后的空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度并不是實際空氣預(yù)熱器煙氣出口溫度，是混合一部分空氣后的煙氣溫度，用此溫度進行加熱爐爐效率分析并不科學(xué)。采用CFD方法對同一加熱爐空氣預(yù)熱器漏風(fēng)煙氣出口溫度進行了模擬計算分析，模擬結(jié)果與計算式結(jié)果相近，驗證了提出的修正計算方法的可行性。