空气预热器漏风对其烟气出口温度的影响
摘要： 加热炉空气预热器的漏风对其性能影响较大， 空气预热器存在漏风时， 其烟气出口温度不能准确反应空气预热器的换热性能。 基于能量平衡原理推导出了空气预热器漏风对空气预热器烟气出口温度影响的修正计算公式， 并采用计算流体动力学方法对空气预热器漏风对空气预热器烟气出口温度的影响进行数值模拟分析， 数值模拟结果与计算式计算结果较为一致。 为加热炉空气预热器漏风分析计算提供了一种简便方法。
本文源自王瑞星; 宋力; 田瑞， 石油化工设备 发表时间：2021-07-05
关键词： 空气预热器; 加热炉; 漏风; 烟气温度; 计算流体动力学
加热炉空气预热器普遍存在漏风情况， 空 气预热器漏风对空气预热器烟气出口温度及加热炉热效率影响较大。 通常空气预热器的泄漏用空气预热器的漏风率来表示， 但漏风率不能定量反映空气预热器漏风对空气预热器烟气出口温度的影响。 目前，没有非常明确的算法来计算加热炉空气预热器漏风对其烟气出口温度的影响， 而准确反映漏风率与空气预热器烟气出口温度的关系有利于指导日常空气预热器的运行、维护和检修，也关系到加热炉热效率的准确计算和加热炉机组的节能降耗。 因此，需要一种计算简单有效、所需数据较少的方法来定量分析空气预热器漏风率变化对空气预热器烟气出口温度的影响， 研究空气预热器漏风对空气预热器烟气出口温度的影响并进行修正计算具有重要意义。 文中基于能量平衡原理推导出了空气预热器漏风对其烟气出口温度影响的 计 算 式 ，并采用计算流体动力学 (CFD)方 法 对空气预热器漏风对空气预热器烟气出口温度的影响进行模拟计算分析[1-14]。
1 加热炉空气预热器结构及漏风原因
典型的加热炉空气预热器结构示意见图 1。
空气预热器分为高温段和低温模块， 高温段换热元件采用全焊接结构，由 4 个高温模块组成。高温段的换热板片较薄，一般采用自动焊，焊接质量难以保证，换热板片交界处普遍存在漏风。低温模块为 1 个非焊接模块， 换热元件之间采用螺栓垫片密封。 低温模块损坏时，非焊接模块的维修、更换较为方便，但这种结构密封性较差，泄漏较为严重。 此外， 弯头箱采用法兰连接， 烟气侧为负压，少量环境空气进入烟气侧，也会导致空气预热器产生微量泄漏。
空气预热器漏风原因主要有以下几方面，① 设计原因。 加热炉空气预热器是由换热元件组装而成，换热元件之间的装配间隙易造成漏风。②制造原因。换热元件制造加工精度不够、换热元件之间的密封材料缺失等造成空气预热器漏风。 ③安装原因。空气预热器与加热炉，以及空气预热器主体与弯头箱之间一般均采用法兰连接， 法兰连接容易泄漏。 ④运行维护原因。 加热炉烟气中存在SO3，空气预热器壁面温度较低时，烟 气 冷 凝 液 腐蚀换热元件，造成换热元件损坏漏风。运行一段时间后密封垫片老化变形， 铸铁换热元件露点腐蚀穿孔，泄漏加剧。
2 加热炉空气预热器漏风时空气预热器烟气出口温度计算方法
2.1 烟气侧效率
ASME PTC 4.3—2017《空气预热器实验规程》[15]对空气预热器性能的评价相对比较全面， 包含了空气预热器漏风率、烟气侧效率 η，其中烟 气 侧 效率反映了空气预热器的热力性能，计算式如下： η=(tg0–tg1)/(tg0–ta0)×100% (1)式 中，tg0 为进入空气预热器的烟气进口温度 (也为空气预热器实际参加换热的烟气进口温度)，tg1 为空气预热器烟气出口温度，ta0 为进入空气预热器的空气进口温度，℃。空气预热器漏风对空气预热器烟气侧效率影响较小， 假设空气预热器发生漏风后烟气侧效率不变，则空气预热器烟气出口温度 tout 为： tout=tg0- η(tg0-ta0) 100 (2)
2.2 空气预热器烟气出口温度
2.2.1 热端漏风
加热炉空气预热器低温模块为交错流形式，其漏风分为热端漏风和冷端漏风。 低温模块热端漏风主要是热端非焊接位置烟气与空气交界面处的缝隙漏风，空气从该缝隙漏入烟气侧后，会很快与烟气均匀混合， 空气从非焊接位置缝隙泄漏的射流距离远小于烟气在空气预热器内低温模块流动的长度。 因此把空气预热器热端漏风看作是热空气漏入烟气侧， 使空气预热器进口烟气温度降低，进而影响空气预热器的传热特性和传热效果。从换热机理讲， 可将空气预热器热端漏风看作只是降低进口烟气温度， 并把热端漏风变化对空气预热器烟气出口温度的影响归入到空气预热器进口烟气温度变化对空气预热器烟气出口温度的修正计算中。 对于热端漏风，依据能量平衡原理，有： ma1lcpa1(tg0-ta1)=mg0(nl)cpg0(tg0(nl)-tg0) (3)式 中 ，ma1l 为单位质量燃料下热端漏风总质量 ， mg0(nl)为单位质量燃料下烟气进口质量，kg/kg;ta1 为热端漏风温度，tg0(nl)为空气泄漏前低温模块烟气 进 口 温 度，℃;cpa1 为 空 气 温 度 从 ta1 到 tg0 的 平均 比 定 压 热 容，cpg0 为 烟 气 温 度 从 tg0 到 tg0(nl)的 平均比定压热容，kJ/(kg·℃)。结 合 式(2)和 式(3)，假设空气预热器烟气侧效率不变， 推导得出空气预热器热端漏风的空气预热器烟气出口温度为： 4 期 王瑞星,等：空气预热器漏风对其烟气出口温度的影响第 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 冷端漏风
在空气预热器低温模块冷端下端面， 空气从非焊接位置缝隙泄漏的射流距离远小于烟气在空气预热器内低温模块流动的长度， 故低温模块冷端的漏风直接进入空气预热器烟气出口流出的烟气中，将空气预热器烟气出口端的温度降低。冷端漏风的流动路径并不经过空气预热器， 没有参与空气预热器的换热。对于冷端漏风，依据能量平衡原理，有： ma0lcpa0(toutg2l-ta0)=mglcpgl(toutg1-toutg2l) (5)其中 toutg2l= ma0lcpa0ta0+mg1cpgltoutg1l ma0lcpa0+mg1cpgl (6)式(5)～式(6)中，ma0l 为单位质量燃料下冷端空气泄漏总量，mg1 为单位质量燃料下空气预热器冷端 烟 气 量 ，kg/kg;cpa0 为 空 气 温 度 从 ta0 到 tout 的平均比定压热容 ，cpg1 为 烟 气 从 tout 到 toutg1l 的 平均比定压热容，kJ/(kg·℃)。
3 加热炉空气预热器漏风时空气预热器烟气出口温度计算实例
3.1 计算式计算
空气预热器非焊接低温模块的泄漏量较大，故以某空气预热器低温模块为例， 采用文中计算式对空气预热器热、 冷端漏风对空气预热器烟气出口温度的影响进行修正计算。 空气预热器工况条件如下， 烟气组分为体积分数分别是 9.48%的 CO2、15.52%的 H2O、72.45%的 N2 以 及 2.55%的 O2，低温模块烟气进口温度 200 ℃， 无漏风时烟气出口 温 度 130 ℃，空 气 进 口 温 度 20 ℃，空 气 出 口 温度 170 ℃，进入低温模块 O2 体积分数 2.5%。 选定空气预热器冷端漏风分配系数、 热端漏风分配系数均为 0.5。 采用文中公式对此工况下实测漏风率对空气预热器烟气出口温度的影响进行计算，结果见表 1。
分 析 表 1 可 以 知 道， 空气预热器漏风后，空气预热器烟气出口温度会降低，漏风量越大，空气预热器烟气出口温度降低得越多。 漏风后的空气预热器烟气出口温度并不是空气预热器实际烟气效率不变， 推导得出空气预热器热端漏风的空气预热器烟气出口温度为：
出口温度，漏风后空气预热器烟气出口温度较低，但烟气余热并没有被充分利用， 而是被泄漏介质带走， 单一以空气预热器烟气出口温度为条件不能全面衡量空气预热器的性能， 应该根据热平衡进行修正。
空气预热器投用后， 随着密封件老化及换热元件腐蚀，漏风量会逐渐增大。当空气预热器发生露点腐蚀时，空气预热器漏风量增大，主要发生在冷端， 此条件下加大冷端风量分配系数即可进行空气预热器烟气出口温度计算。
3.2 CFD 模拟计算
3.2.1 计算模型
选择与计算式计算空气预热器烟气出口温度相同的空气预热器为对象，建立三维几何模型，计算区域包括空气预器换热元件、空气进口、空气出口、烟气进口和烟气出口(图 2)。 由 于 空 气 预 热器换热板片较多，整体计算的计算量较大，故截取部分换热元件进行 CFD 换热模拟计算。 周期边界条件可以看作是由部分的性质来推广表达全局的性质，主要用于数学建模和计算机仿真中，将具有时空周期性的物理问题简化为单元进行处理。 本算例中，将几何模型的上、下面设置为周期性边界条件，用一个换热单元来代表整个预热器模块。空气进口为压力边界条件， 空气出口为质量出口边界条件，烟气进口为质量流量边界条件，烟气出口为压力出口边界条件。 在低温模块的热端及冷端的烟气和空气交界面处设置泄漏缝隙， 烟气侧和空气侧上存在压差，压力较高的空气通过所述 缝隙进入压力较低的烟气侧。
3.2.2 空气预热器烟气出口温度
CFD 计算收敛之后，提取有关计算 结 果，烟 气进口的烟气质量流量为 0.260 000 26 kg/s，烟 气出口的烟气质量流量为 0.276 022 08 kg/s，空 气预热器烟气出口温度为 380.136 95 K。 烟气出口的烟气质量流量增大是因为空气从缝隙泄漏进入烟 气 侧 ， 使 烟 气 量 增 加 ， 低温模块的泄漏率为 6.16%。
将 CFD 计算模型空气预热器边界条件中的参数代入式(2)～式(6)，将泄漏率设定为 6.16%，计算得到空气预热器烟气出口温度为 380.640 1 K，稍高于 CFD 计算结果。 这主要是由于空气出口质量流量保持不变 (供加热炉燃烧的空气量不变)，泄漏的热空气流入烟气中， 泄漏空气吸收的余热被烟气带走，回收能量减少，致使空气出口温度降低，而计算式计算时忽略了此问题。
空气预热器漏风时烟气出口温度 CFD 模拟计算及计算式计算结果见表 2。
3.2.3 温度分布
空气预热器有无漏风时空气侧切面烟气温度分布对比见图 3。 由图 3 可以看出，烟气温度在空气预热器端面外缘的变化较大， 热端的温度变化梯度比冷端的温度变化梯度大， 热端烟气和空气的温差大于冷端烟气和空气的温差。 烟气侧热端与空气进口端交叉处的温度变化梯度最为明 显，此处冷空气泄漏后直接与烟气混合，故 温 度 变 化显著。
3.2.4 氧质量分数分布
有无漏风时空气预热器空气侧切面氧质量分数分布见图 4。 由图 4 可知，氧质量分数在空气预热器端面外缘的变化较大， 热端的氧质量分数变化梯度比冷端的大。空气预热器热端漏风时，泄漏空气流动方向与烟气流动方向相反，混合较快，混合所需距离远小于换热元件的几何尺寸， 可以将空气预热器热端漏风看作只是降低进口烟气温度，这与前述分析假设一致。空气预热器低温模块冷端漏风的射流方向与烟气流向一致， 但其混合所需距离也远小于空气预热器换热元件的几何尺寸，实际测量空气预热器烟气出口温度时二者已经混合均匀。
4 结语
准确定量分析空气预热器漏风率变化对加热炉空气预热器烟气出口温度的影响， 对于加热炉的运行、维护和节能降耗具有重要意义。基于能量守恒原理， 提出了一种空气预热器漏风时空气预热器烟气出口温度的修正计算方法。 采用该方法的实例计算结果表明， 空气预热器存在漏风时空气预热器烟气出口温度会降低，漏风量越大，空气预热器烟气出口温度降低得越多， 漏风后的空气预热器烟气出口温度并不是实际空气预热器烟气出口温度，是混合一部分空气后的烟气温度，用此温度进行加热炉炉效率分析并不科学。 采 用 CFD 方法对同一加热炉空气预热器漏风烟气出口温度进行了模拟计算分析， 模拟结果与计算式结果相近，验证了提出的修正计算方法的可行性。