空氣預熱器漏風對其煙氣出口溫度的影響

　　摘要： 加熱爐空氣預熱器的漏風對其性能影響較大， 空氣預熱器存在漏風時， 其煙氣出口溫度不能準確反應空氣預熱器的換熱性能。 基于能量平衡原理推導出了空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度影響的修正計算公式， 并采用計算流體動力學方法對空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響進行數值模擬分析， 數值模擬結果與計算式計算結果較為一致。 為加熱爐空氣預熱器漏風分析計算提供了一種簡便方法。

　　本文源自王瑞星; 宋力; 田瑞， 石油化工設備 發表時間：2021-07-05

　　關鍵詞： 空氣預熱器; 加熱爐; 漏風; 煙氣溫度; 計算流體動力學

　　加熱爐空氣預熱器普遍存在漏風情況， 空 氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度及加熱爐熱效率影響較大。 通常空氣預熱器的泄漏用空氣預熱器的漏風率來表示， 但漏風率不能定量反映空氣預熱器漏風對空氣預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熱器漏風對其煙氣出口溫度的影響， 而準確反映漏風率與空氣預熱器煙氣出口溫度的關系有利于指導日常空氣預熱器的運行、維護和檢修，也關系到加熱爐熱效率的準確計算和加熱爐機組的節能降耗。 因此，需要一種計算簡單有效、所需數據較少的方法來定量分析空氣預熱器漏風率變化對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響， 研究空氣預熱器漏風對空氣預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出了空氣預熱器漏風對其煙氣出口溫度影響的 計 算 式 ，并采用計算流體動力學 (CFD)方 法 對空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響進行模擬計算分析[1-14]。

　　1 加熱爐空氣預熱器結構及漏風原因

　　典型的加熱爐空氣預熱器結構示意見圖 1。

　　空氣預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構，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，焊接質量難以保證，換熱板片交界處普遍存在漏風。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，但這種結構密封性較差，泄漏較為嚴重。 此外， 彎頭箱采用法蘭連接， 煙氣側為負壓，少量環境空氣進入煙氣側，也會導致空氣預熱器產生微量泄漏。

　　空氣預熱器漏風原因主要有以下幾方面，① 設計原因。 加熱爐空氣預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。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熱器漏風。 ③安裝原因。空氣預熱器與加熱爐，以及空氣預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。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 加熱爐空氣預熱器漏風時空氣預熱器煙氣出口溫度計算方法

　　2.1 煙氣側效率

　　ASME PTC 4.3—2017《空氣預熱器實驗規程》[15]對空氣預熱器性能的評價相對比較全面， 包含了空氣預熱器漏風率、煙氣側效率 η，其中煙 氣 側 效率反映了空氣預熱器的熱力性能，計算式如下： η=(tg0–tg1)/(tg0–ta0)×100% (1)式 中，tg0 為進入空氣預熱器的煙氣進口溫度 (也為空氣預熱器實際參加換熱的煙氣進口溫度)，tg1 為空氣預熱器煙氣出口溫度，ta0 為進入空氣預熱器的空氣進口溫度，℃。空氣預熱器漏風對空氣預熱器煙氣側效率影響較小， 假設空氣預熱器發生漏風后煙氣側效率不變，則空氣預熱器煙氣出口溫度 tout 為： tout=tg0- η(tg0-ta0) 100 (2)

　　2.2 空氣預熱器煙氣出口溫度

　　2.2.1 熱端漏風

　　加熱爐空氣預熱器低溫模塊為交錯流形式，其漏風分為熱端漏風和冷端漏風。 低溫模塊熱端漏風主要是熱端非焊接位置煙氣與空氣交界面處的縫隙漏風，空氣從該縫隙漏入煙氣側后，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熱器內低溫模塊流動的長度。 因此把空氣預熱器熱端漏風看作是熱空氣漏入煙氣側， 使空氣預熱器進口煙氣溫度降低，進而影響空氣預熱器的傳熱特性和傳熱效果。從換熱機理講， 可將空氣預熱器熱端漏風看作只是降低進口煙氣溫度， 并把熱端漏風變化對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響歸入到空氣預熱器進口煙氣溫度變化對空氣預熱器煙氣出口溫度的修正計算中。 對于熱端漏風，依據能量平衡原理，有： ma1lcpa1(tg0-ta1)=mg0(nl)cpg0(tg0(nl)-tg0) (3)式 中 ，ma1l 為單位質量燃料下熱端漏風總質量 ， mg0(nl)為單位質量燃料下煙氣進口質量，kg/kg;ta1 為熱端漏風溫度，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 合 式(2)和 式(3)，假設空氣預熱器煙氣側效率不變， 推導得出空氣預熱器熱端漏風的空氣預熱器煙氣出口溫度為： 4 期 王瑞星,等：空氣預熱器漏風對其煙氣出口溫度的影響第 toutg1l= ma1lcpa1ta1+mg0(nl)cpg0tg0(nl) ma1lcpa1+mg0(nl)cpg0 - η ma1lcpa1ta1+mg0(nl)cpg0tg0(nl) ma1lcpa1+mg0(nl)cpg0 ! " -t0 100 (4)

　　2.2.2 冷端漏風

　　在空氣預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熱器內低溫模塊流動的長度， 故低溫模塊冷端的漏風直接進入空氣預熱器煙氣出口流出的煙氣中，將空氣預熱器煙氣出口端的溫度降低。冷端漏風的流動路徑并不經過空氣預熱器， 沒有參與空氣預熱器的換熱。對于冷端漏風，依據能量平衡原理，有： ma0lcpa0(toutg2l-ta0)=mglcpgl(toutg1-toutg2l) (5)其中 toutg2l= ma0lcpa0ta0+mg1cpgltoutg1l ma0lcpa0+mg1cpgl (6)式(5)～式(6)中，ma0l 為單位質量燃料下冷端空氣泄漏總量，mg1 為單位質量燃料下空氣預熱器冷端 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 加熱爐空氣預熱器漏風時空氣預熱器煙氣出口溫度計算實例

　　3.1 計算式計算

　　空氣預熱器非焊接低溫模塊的泄漏量較大，故以某空氣預熱器低溫模塊為例， 采用文中計算式對空氣預熱器熱、 冷端漏風對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響進行修正計算。 空氣預熱器工況條件如下， 煙氣組分為體積分數分別是 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 體積分數 2.5%。 選定空氣預熱器冷端漏風分配系數、 熱端漏風分配系數均為 0.5。 采用文中公式對此工況下實測漏風率對空氣預熱器煙氣出口溫度的影響進行計算，結果見表 1。

　　分 析 表 1 可 以 知 道， 空氣預熱器漏風后，空氣預熱器煙氣出口溫度會降低，漏風量越大，空氣預熱器煙氣出口溫度降低得越多。 漏風后的空氣預熱器煙氣出口溫度并不是空氣預熱器實際煙氣效率不變， 推導得出空氣預熱器熱端漏風的空氣預熱器煙氣出口溫度為：

　　出口溫度，漏風后空氣預熱器煙氣出口溫度較低，但煙氣余熱并沒有被充分利用， 而是被泄漏介質帶走， 單一以空氣預熱器煙氣出口溫度為條件不能全面衡量空氣預熱器的性能， 應該根據熱平衡進行修正。

　　空氣預熱器投用后， 隨著密封件老化及換熱元件腐蝕，漏風量會逐漸增大。當空氣預熱器發生露點腐蝕時，空氣預熱器漏風量增大，主要發生在冷端， 此條件下加大冷端風量分配系數即可進行空氣預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熱器煙氣出口溫度相同的空氣預熱器為對象，建立三維幾何模型，計算區域包括空氣預器換熱元件、空氣進口、空氣出口、煙氣進口和煙氣出口(圖 2)。 由 于 空 氣 預 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來推廣表達全局的性質，主要用于數學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、下面設置為周期性邊界條件，用一個換熱單元來代表整個預熱器模塊。空氣進口為壓力邊界條件， 空氣出口為質量出口邊界條件，煙氣進口為質量流量邊界條件，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置泄漏縫隙， 煙氣側和空氣側上存在壓差，壓力較高的空氣通過所述 縫隙進入壓力較低的煙氣側。

　　3.2.2 空氣預熱器煙氣出口溫度

　　CFD 計算收斂之后，提取有關計算 結 果，煙 氣進口的煙氣質量流量為 0.260 000 26 kg/s，煙 氣出口的煙氣質量流量為 0.276 022 08 kg/s，空 氣預熱器煙氣出口溫度為 380.136 95 K。 煙氣出口的煙氣質量流量增大是因為空氣從縫隙泄漏進入煙 氣 側 ， 使 煙 氣 量 增 加 ， 低溫模塊的泄漏率為 6.16%。

　　將 CFD 計算模型空氣預熱器邊界條件中的參數代入式(2)～式(6)，將泄漏率設定為 6.16%，計算得到空氣預熱器煙氣出口溫度為 380.640 1 K，稍高于 CFD 計算結果。 這主要是由于空氣出口質量流量保持不變 (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。

　　空氣預熱器漏風時煙氣出口溫度 CFD 模擬計算及計算式計算結果見表 2。

　　3.2.3 溫度分布

　　空氣預熱器有無漏風時空氣側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。

　　3.2.4 氧質量分數分布

　　有無漏風時空氣預熱器空氣側切面氧質量分數分布見圖 4。 由圖 4 可知，氧質量分數在空氣預熱器端面外緣的變化較大， 熱端的氧質量分數變化梯度比冷端的大。空氣預熱器熱端漏風時，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， 可以將空氣預熱器熱端漏風看作只是降低進口煙氣溫度，這與前述分析假設一致。空氣預熱器低溫模塊冷端漏風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熱器換熱元件的幾何尺寸，實際測量空氣預熱器煙氣出口溫度時二者已經混合均勻。

　　4 結語

　　準確定量分析空氣預熱器漏風率變化對加熱爐空氣預熱器煙氣出口溫度的影響， 對于加熱爐的運行、維護和節能降耗具有重要意義。基于能量守恒原理， 提出了一種空氣預熱器漏風時空氣預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果表明， 空氣預熱器存在漏風時空氣預熱器煙氣出口溫度會降低，漏風量越大，空氣預熱器煙氣出口溫度降低得越多， 漏風后的空氣預熱器煙氣出口溫度并不是實際空氣預熱器煙氣出口溫度，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。 采 用 CFD 方法對同一加熱爐空氣預熱器漏風煙氣出口溫度進行了模擬計算分析， 模擬結果與計算式結果相近，驗證了提出的修正計算方法的可行性。