空氣預(yù)熱器換熱過程數(shù)值模擬

李 健 柴 星 楊 建

(1.營口忠旺鋁業(yè)有限公司，遼寧115000；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西710032)

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源的快速消耗，資源的利用率越來越受到關(guān)注，提高能源的利用效率成為當(dāng)今迫在眉睫的話題。空氣預(yù)熱器是現(xiàn)代大型鍋爐機組中不可少的組成部件，通常布置在鍋爐對流煙道的尾部[3]。因為空氣預(yù)熱器不僅能夠吸收排煙中的熱量，降低排煙溫度，提高鍋爐效率，而且由于空氣的預(yù)熱，改善燃料的著火條件，強化了燃燒過程，減少了不完全燃燒損失，對于難著火的無煙煤和劣質(zhì)煤尤為重要[1]?？諝膺M入爐膛之前，經(jīng)空氣預(yù)熱器預(yù)熱，強化爐膛輻射熱交換，使吸收同樣輻射熱的水冷壁受熱面減少[7]。較高溫度的預(yù)熱空氣送到制粉系統(tǒng)作為干燥劑，在磨制高水分的劣質(zhì)煤時也可以起到良好的烘干作用。所以空氣預(yù)熱器對提高鍋爐的燃燒效率，降低燃料消耗非常重要[8]。

在我國的各個大型發(fā)電廠中普遍采用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，運行實際表明：回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器主要的缺點就是漏風(fēng)率大。因為空氣預(yù)熱器是由轉(zhuǎn)子和固定的密封板組成的，高溫?zé)煔庾陨隙铝鹘?jīng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部加熱蓄能元件，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向空氣側(cè)時，低溫空氣又自下而上流經(jīng)炙熱的蓄能板，帶走熱量[9]。由于空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子重復(fù)循環(huán)承受這樣的冷熱交替變化，轉(zhuǎn)子內(nèi)自上而下的溫差就會使其發(fā)生熱變形，受高溫的轉(zhuǎn)子上端和受低溫的轉(zhuǎn)子下端便會與上下端密封的扇形板形成間隙。又因為高溫?zé)煔夂偷蜏乜諝庵g有壓差，這樣煙氣不可避免地會從這些間隙中泄漏到空氣中。相當(dāng)一部分空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)率在15%以上，這樣不僅增大排煙熱損失和風(fēng)電消耗，嚴重時將直接影響鍋爐出力，使電廠的經(jīng)濟效益下降。據(jù)測算，300 MW機組空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率每降低1%，全年會節(jié)約120萬元。處理漏風(fēng)的關(guān)鍵在于調(diào)整好各個密封間隙，密封間隙過大，增大了漏風(fēng)量；密封間隙過小則會加速密封元件的磨損，在轉(zhuǎn)子有熱變形時甚至還會引起卡澀[12]。

本文通過廠家提供的空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)尺寸，建立三維模型，利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對空氣預(yù)熱器的轉(zhuǎn)子、扇形板、隔板分別進行結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，獲取其熱變形值。為空氣預(yù)熱器的密封改造打下基礎(chǔ)。

1 空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)模型

1.1 空氣預(yù)熱器的幾何模型

圖1為空氣預(yù)熱器的三維幾何模型，主要由轉(zhuǎn)子、支架、扇形板、上下軸、中心筒、底座組成。其中直徑為10.32 m的轉(zhuǎn)子是三分倉容克式空氣預(yù)熱器實現(xiàn)熱交換的核心部件，采用模數(shù)倉格結(jié)構(gòu)，每個倉格15°。為布置雙密封結(jié)構(gòu)，每個倉格又分割為二，全部蓄熱元件分裝在24個模數(shù)倉格內(nèi)，由中心筒帶動轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，與靜止的密封外殼形成密封艙。蓄熱元件分熱端和冷端兩種規(guī)格，共三層，自上而下裝入模數(shù)倉格內(nèi)。其中熱端蓄熱元件自上而下分300 mm和950 mm兩層，由壓制成特殊波形的考登鋼交替層疊捆扎而成；冷端高度1000 mm，由壓制成特殊波形的搪瓷片交替層疊捆扎而成。每個模數(shù)倉格利用一個定位銷和固定銷與中心筒相連接。中心筒上、下兩端分別通過法蘭與上軸、下軸連接，整體形成預(yù)熱器的旋轉(zhuǎn)主軸。

1.2 網(wǎng)格的劃分

為方便、快速地對空氣預(yù)熱器進行有限元分析，減少計算量和快速性，利用其對稱性，取其1/14進行分析計算。在對轉(zhuǎn)子進行有限元網(wǎng)格劃分之前對轉(zhuǎn)子選擇了SOLID186的單元類型，選用的體單元尺寸為20 mm，劃分形式為六面體自由化分，得到546712個網(wǎng)格單元，39778個節(jié)點。圖2為轉(zhuǎn)子模型的網(wǎng)格圖。轉(zhuǎn)子的材料選用Q235，其材料在不同溫度時的物理屬性見表1。

1—扇形板 2—中心筒 3—支架 4—密封框架 5—底座

1—中心筒 2—轉(zhuǎn)子 3—徑向隔板

表1 Q235材料在不同溫度下的物理屬性Table 1 Physical Properties of Q235 material at different temperatures

1.3 邊界條件

依據(jù)空氣預(yù)熱器在工作中的安裝情況，在有限元分析、簡化時，依據(jù)右手笛卡爾直角坐標(biāo)系定則，把坐標(biāo)原點設(shè)置在最底層中心處，Y軸方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周向一致，X軸方向與轉(zhuǎn)子的半徑方向一致，Z軸方向為空氣預(yù)熱器的高度方向。

對空氣預(yù)熱器進行邊界條件設(shè)置時，首先要設(shè)置約束條件。所以模型的兩側(cè)要進行對稱設(shè)置，限制芯柱在Z方向的自由度。

2 空氣預(yù)熱器數(shù)值仿真分析

實際工況中，空氣預(yù)熱器的工作原理是：加工成特殊波形的金屬元件即蓄熱元件被緊密地放置在轉(zhuǎn)子扇形倉格內(nèi)，以1.14 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其左右兩半部分分別為煙氣和空氣通道?？諝鈧?cè)又分為一次通道和二次通道。當(dāng)煙氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子時，煙氣將熱量釋放給蓄熱元件，煙氣溫度降低。當(dāng)蓄熱元件旋轉(zhuǎn)到空氣側(cè)時，又將熱量釋放給空氣，空氣溫度升高。如此這樣周而復(fù)始地循環(huán)，實現(xiàn)煙氣和空氣的熱交換。高溫?zé)煔庠诩訜嵝顭嵩r，勢必會將熱量傳遞給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在高溫下就會出現(xiàn)熱變形。

2.1 空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分析

圖3為轉(zhuǎn)子在340℃高溫?zé)煔鉀_刷下，在Y軸上的位移云圖。從中可以看出，轉(zhuǎn)子在340℃時出現(xiàn)了蘑菇狀變形，整個轉(zhuǎn)子沿X方向上向下塔拉下來，并且越往外向下的位移值越大。從空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子上下端的變形曲線圖4可以看出來，上端的最大變形位移為38.86 mm，下端的最大位移變形量為48.34 mm。符合實際生產(chǎn)過程中，空氣預(yù)熱器在高溫下出現(xiàn)蘑菇狀變形的情況，上端的變形量為38.86 mm，和實際測量出的37.42 mm相差不多。

從圖4(a)中可以看出，由于熱脹冷縮，先是正向增加，由于越向外轉(zhuǎn)子承受的自重越大，因此Y向的變形量又負向減小。從圖4(b)中可以看出，在整個X方向上，轉(zhuǎn)子下端都呈現(xiàn)出負值變化，前半部分變化趨勢緩慢，后半部分隨著轉(zhuǎn)子質(zhì)量的增大，變化趨勢也越來越大。整體呈現(xiàn)出蘑菇狀變形。

2.2 扇形板的結(jié)構(gòu)分析

圖5為空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子上方的扇形板在Y方向上的位移云圖。從圖中可以看出，扇形板在高溫下也有變形，出現(xiàn)兩端向上彎，中間向下彎的趨勢，其位移變化量為-8.939 mm～5.017 mm之間變化。位移最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子中后方，向下偏移的最大值為-8.939 mm。

(a)正視圖

(b)俯視圖

(a)轉(zhuǎn)子上端

(b)轉(zhuǎn)子下端

2.3 隔板的結(jié)構(gòu)分析

圖6為徑向隔板在Y方向上的位移云圖。從圖中可以看出，徑向隔板在高溫下也發(fā)生有位移變化，其位移值在-13.315 mm～6.235 mm之間變化。沿著X軸、Y軸的位移變量越來越大，位移最大值在徑向隔板X方向的末端，其值為-13.315mm，向下偏移。

圖5 扇形板Y向位移云圖Figure 5 Y-direction displacement nephogram of sector plate

圖6 徑向隔板的Y向位移云圖Figure 6 Y-direction displacement nephogram of radial partition

3 結(jié)論

分別利用ANSYS/LS-DYNA、FLUENT分析軟件對空氣預(yù)熱器進行了熱-結(jié)構(gòu)耦合模擬分析和流體分析。在高溫340℃的煙氣沖刷下，空氣預(yù)熱器的熱變形值為38.86 mm，和實際測量值相差不多，驗證了實際工況。