回转式空预器内部温度场的数值计算

图 4 典型换热单元结构参数图
一致, 故换热模型的流体入口温度取为常数。 根据烟道模型的仿真结果, 在 300 MW 稳态
运行时, r = 3. 6 m 处换热 单元的 流体进 口温度 为:
空气: ta ( S) = 20e , ( 0[ S[ 25 s) 烟气: tg ( S) = 350e , ( 0[ S[ 25 s) 烟气与空气通道出口界面的速度等值线图分 别如图 5( a)和图 5( b)所示。根据图 5, 可以得到 任一径向上速度关于时间的函数。
对于空预器内部温度场的求解, 国内进行了 大量的研究工作, 但目前尚没有可行的模型与方 法实现空预器内部温度场的完全三维仿真。文献 [ 1]提出了求解回转式空预器内部温度场的解 析 ) 数值法, 求解过程较为复杂, 计算量较大; 文 献 [ 2] 采用三分仓回转式 空预器建立模型, 得到 了简化的计算模型; 文献 [ 3] 则对空预器金属板
图 3 烟气通道与空气通道三维模型
对密封区的处理: ( 1) 散热损失为零; ( 2) 经 过密封区后, 由于金属板内的热传导, 金属板的温 度场充分融合, 截面上温度无差异; ( 3) 滞留流体 量很小, 认为流体被金属板充分加热, 沿模型长度 方向上的平均温度与金属板相同。
计算模型的收敛条件为: 排烟温度、出口空气 温度与目标值的偏差均在 5e 以内。
#) )) 广义 扩散系 数, 对于 动 量守 恒 方程, # 是 粘
度, kg /( m# s) ; 对于能量 方程, # 是 热导率,
W /( m# K);
S) ) ) 广 义源项。
烟气与空气做为理想流体处理, 有
p = QRT
( 3)
其中, R 为摩尔气体常数。
本文采用 k - E湍流模型, k 方程为:
的温 度进行了试验研究, 给 出了实验结果; 文献 [ 4]导出了计算空预器内部温度的数学模型, 给 出了进行数值求解的递推公式; 文献 [ 5] 利用解 析方法对空预器进行了换热计算; 文献 [ 6] 对空 预器做了建模仿真, 能够实现空预器整体指标的 计算。
本文采用数值方法求解了双分仓空预器稳态 工况下未投用暖风机时内部温度场的完全三维分 布, 建立了空预器内部的典型换热单元以及空预 器入口前的烟气与空气通道的数学模型, 以后者 的出口速度与温度作为前者的入口条件, 经过求 解, 可以得到稳态工况下空预器内部任意一点处 的流体与金属板温度, 实现了内部温度场的完全 三维监测。
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2009, 37( 9)
( 3) 金属壁进出口端面绝热。 温度场初始条件的设定要考虑空预器的启动 与运行。启动阶段, 将金属板与滞留气体的温度 全部初始化为冷空气的温度, 在经过一定时间的 烟气冲刷后, 得到金属板与流体的温度场。将该 温度场作为冷却期的初始温度场, 空气反向冲刷 对流单元, 得到的温度场作为下一个加热期的初 始条件。循环计算数次, 直至在过渡界面上金属 板的温度前后吻合, 此时即相当于空预器稳态运 行阶段。 流体进口速度与温度的设定: 建立空预器入 口处烟气通道与空气通道模型, 如图 3所示。根 据模型出口处的温度与速度分布, 拟合出不同半 径上的速度与温度对时间的函数, 以此作为换热 单元模型的流体入口条件。经过该处理, 可以得 出任一径向长度上换热单元内部的流体与金属板 的温度场。
2. D atang H ua inan T ianjiacan P ow er P lant, H ua inan 232007, Ch ina)
Ab stract: T he num er ica lm ethod based on the hea t transfer mode l of rotary air pre-heate rs w as adop ted to ca lcu la te the inner temperature fie ld of the ro tary air prehea ter, and a 3-D conv ective heat transfer m ode lw as estab lished to ca lcula te the m eta l and flu id tem pera ture fie lds inside the dua-l sec tiona l rota ry a ir preheater on steady cond ition by using the fin ite vo lum e approach. Besides, by m ode ling and ca lcu la tion o f the flue g as duc t and a ir duct, the inlet temperature and ve lo city cond itions w ere obta ined, m aking it po ssib le to calculate the temperature fie ld of different radia l locations. T he calcu lation exam ple o f a typ ica l 300 MW dua -l sectiona l rotary a ir prehea ter show ed that the num erical ca lculation resu lts are consisten tw ith expe rim en tal results, ind ica ting that the num er ica lm ethod is feas ible and re liab le to rea lize supe rv ision of co ld end m eta l tem perature and can prov ide use fu l guidance for econom ic operation of rotary a ir preheaters. K ey w ords: ro tary a ir preheater; tem pe ra ture field; num er ica l calcu lation
C L= 0. 99; CE1 = 1. 44; CE2 = 1. 92; R k = 1. 0; R E = 1. 3[ 10]。
采用的六面体控制容积如图 2所示。利用控
制容积有限积分法得到离散方程, 并进行数值计 算来获得内部温度场 [ 10] 。
图 2 六面体控制容积
1. 2. 2 计算条件与求解方案 边界条件设置如下: ( 1) 金属板外壁面绝热; ( 2) 金属板内壁面流体与固体对流换热;
梁海文, 等 回转式空预器内部温度场的数值计算
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1 稳态工况下温度场的数值计算
1. 1 数学模型 大型火电机组双分仓回转式空预器内部安装
了大量的传热元件, 构成了许多对流换热单元。 换热单元的一个旋转周期被分为加热期与冷却期 两个 阶段, 在烟气区被烟气 加热, 金属板温度升 高, 经过密封区, 在空气区被空气反向冲刷, 完成 放热过程, 再经过密封区到达烟气区, 完成了一次 循环 [ 7-9] 。
3 算例分析
以某电厂典型 300 MW 机组回转式空预器为 例, 计算了空预器稳态运行时内部温度场。模型 的尺寸如图 4所示。
= Qk cpk Ak uk $Sk $tk
( 1)
式中, 下标 j、y、k 分别表 示该 参数为 金属 板、烟气 或空 气
的参数; Q、cp、A、$ t分别为平均密度 ( kg /m3 )、平均定 压比 热容 ( kJ/ ( kg# e ) ) 、截面 面积 ( m2 ) 和平 均温 度 变化 量
第 37卷 第 9期 2009年 9月
V o .l 37 N o. 9 Sept. 2009
回转式空预器内部温度场的数值计算
梁海文 1, 邱凤翔 1, 姚学忠 2, 司风琪 1, 徐治皋 1
( 1. 东南大学 能源与环境学院, 南京 210096; 2. 大唐淮南田家庵发电厂, 安徽 淮南 232007)
N um erical calcu lation of inner tem perature fields of rotary air p reheaters
LIAN G H ai-w en1, Q I U F eng-x iang1, YAO X ue-zhong2, SI F eng-q i1, X U Zhi-gao1 ( 1. Schoo l of Energy and Env ironm ent, Southeast U n iv. , N anjing 210096, Ch ina;
回转式空气预热器是高参数机组锅炉尾部的 重要受热面, 其连续可靠运行与机组的安全性与 经济性密切相关。在实际运行中, 回转式空预器 存在低温腐蚀、漏风较高和堵灰等问题, 这些问题 与空预器内部温度场密切相关。由于实际运行中 不便于在空预器内部布置测点, 为此, 有必要对空 预器内部金属板和流体的温度场进行理论研究。
量。
主要变量的控制方程可以表示成以下通用形
式 [ 4]
( Q5 t
)
+
d iv( Qu 5 )
=
d iv( # g rad5 ) + S ( 2)
式中 Q) ) ) 流体的密度, kg /m3;
5 )) ) 通用变量, 对于 动 量 守 恒方 程, 5 是 速度,
m /s; 对于能量方程, 5 是温度, e ;
从空预器内部抽取出一个典型的换热单元, 其三维结构模型如图 1所示。其中, 模型外壁为 金属, 流体在金属薄壁包围的空腔内流动。
图 1 典型换热单元及其三维结构模型
根据热量平衡建立数学模型, 即利用集总热
容法计算烟气放热量、金属板吸放热量及空气吸
热量, 且使三者相等。
Qj cpjA j l$tj = Qy cpy Ay uy $Sy $ty
摘 要: 采用了基于空预器换热 模型的数值计算方法来求解空预器内部温度场。针对双分仓回转式空预器的 传热机理与特点, 建立了三维对 流换热模型并利用有限容积 法进行求解。 除此之外, 建立了 回转式空预 器入 口前的烟气与空气通道模型, 得到了在不 同半径处的对流换热模型的入口速 度与温度 条件。对典型 300 MW 双分仓回转式空预器的计算实例表明, 数值方法的计算结果与试 验结果吻 合, 是 实现空预器 冷端金属温 度监 测的有效可行的方法, 能够为回 转式空预器的经济运行提供有力指导。 关键词: 回转式空预器; 温度场; 数值方法 作者简介: 梁海文 ( 1985-) , 男, 硕士 研究生, 主要研究方向为火电机组运行优化与计算机 控制仿真。 中图分类号: TM 621. 2; TK 223. 3+ 4; TK 12 文献标志码: A 文章编号: 1001-9529( 2009) 09-1614-05
面中心面处绝热, 无热流通过; ( 3) 空预器的保温
性能很好, 流体进出口处的金属板端面绝热, 换热
单元通过密封区时的散热损失不计; ( 4) 物性参
数随温度变化。
1. 2 有限容积法求解温度场
1. 2. 1 控制方程
对于建立的模型, 流体与固体之间以对流的
方式传递热量, 固体内部以热传导的方式传递热
dk dt
=
xj [
(L+
CL k2 Rk
/E )
k xj
]
+ Gk -
E
( 4)
E方程为:
dE dt
=
ห้องสมุดไป่ตู้
xj [
(
L+
C
Lk2 RE
/E )
k xj
]
+
C E1C k
- C E2
E k
( 5)
式中, k 为单位质量流体湍流脉动动能; E为耗 散率; Gk 表 示由层流速度梯度产生 的湍 流动能; L为动 力粘 性系数;
( e ); l为换热单元 长度 , m; uy、uk 为 烟气 和空 气 的平 均 流速, m / s; $Sy、$Sk 为换热单元在烟气区与空气区的停留 时间, s。
建立模型时的假设包括: ( 1) 模型入口处流
体的温度与速度随时间变化, 且对于不同径向长
度上的换热单元, 其变化规律不同; ( 2) 金属板壁