回转式空气预热器流场仿真分析
回转式空气预热器流场仿真分析
吴磊王少华姚亮
西南交通大学机械工程学院成都610031
摘要：为分析某电厂1000MW锅炉机组的双密封回转式空气预热器漏风问题，建立局部流体仿真模型。通过理论计算和仿真模拟相结合的方法分析了密封间隙对回转式空气预热器内部流场压力分布、密封压差及漏风率的影响，并针对“三密封”特殊时刻下的流场压力及漏风率变化做了研究。结果表明，密封间隙从2mm到8mm的变化过程中，密封片受到的最大压差小于7000Pa；为使空预器漏风率小于5%，其漏风间隙需要控制在3mm以内；“三密封”时刻下的漏风率达到了最小值，为3.98%。经过分析总结，为密封片的载荷计算及密片的改进提供一定的参考。
关键词：回转式空气预热器；流体仿真；密封间隙；密封压差；漏风率
中图分类号：TM621.2文献标识码：A文章编号：1001-0785(2020)05-0056-06
0引言
空气预热器(以下简称空预器)是一种能量回收装置。回转式空预器利用转子仓格中的大量蓄热元件将锅炉工作释放的能量回收再利用，达到降低能量消耗的目的[1]，其在锅炉机组中的工作流程如图1所示。目前回转式空预器存在的主要问题是工作状态下漏风较大，降低了空预器的能量回收率[2，3]。针对漏风问题，学者Jonson提出并规范了回转式空预器换热效率和漏风率的概念[4]。孙长祥在总结前人研究的基础上，研究分析了漏风系数、漏风间隙和压差等3个因素对回转式空预器漏风量的影响，并提出了漏风的计算公式[5]。
回转式空预器密封装置主要有接触式柔性密封、弹簧合页式密封、VN固定式密封、可调式密封等几种形式，其中的接触式柔性密封装置密封效果良好，得到了大量应用[6，7]。常毅君等人利用Ansys分析软件研究了空预器隔仓压差对一种“U形波纹”密封片密封效果的影响，在密封片厚度较小的情况下，无法达到零间隙的密封效果[8]。各国学者对空预器做了大量的研究，但很少考虑作用于密封片的气流压差问题。气流压差是空预器密封片载荷的重要组成部分，直接影响着密封片的密封效果。本文利用Fluent软件对空预器流场进行仿真分析，研究空预器流场压强、压差及漏风率的变化情况。
图1空预器参与过程1回转式空气预热器1.1空气预热器结构及原理回转式空预器的结构如图2所示，其基本工作原理为：转子由轴承导向在电力装置驱动下运行，安装在转子仓格内的大量蓄热元件在转子的转动过程中通过烟气仓和风仓，在烟气仓中吸收锅炉工作产生的高温烟气使自身温度升高，在风仓中与空气相遇，传导热量使空气温度升高，重复以上过程完成回转式空预器的正常工作[9]。
图1空预器参与过程
1回转式空气预热器
1.1空气预热器结构及原理
回转式空预器的结构如图2所示，其基本工作原理为：转子由轴承导向在电力装置驱动下运行，安装在转子仓格内的大量蓄热元件在转子的转动过程中通过烟气仓和风仓，在烟气仓中吸收锅炉工作产生的高温烟气使自身温度升高，在风仓中与空气相遇，传导热量使空气温度升高，重复以上过程完成回转式空预器的正常工作[9]。
1.扇形板2.径向密封片3.蓄热元件4.转子5.电力驱动装置6.导向轴承7.支撑轴承8.底梁9.烟气通道10.上梁11.一次风通道12.外壳13.轴向密封14.二次风通道图2空预器二维CAD结构图1.2空气预热器流场理论分析回转式空预器柔性密封装置采用双密封结构，其柔性密封装置结构如图3所示。在工作过程中，扇形板和柔性密封片之间存在一定的间隙。由于双密封结构，空气预热器中的气体泄漏经过的区域依次为空气区、中间过渡区、烟气区，其流动区域如图4所示。
1.扇形板2.径向密封片3.蓄热元件4.转子5.电力驱动装置6.导向轴承7.支撑轴承8.底梁
9.烟气通道10.上梁11.一次风通道12.外壳13.轴向密封14.二次风通道
图2空预器二维CAD结构图
1.2空气预热器流场理论分析
回转式空预器柔性密封装置采用双密封结构，其柔性密封装置结构如图3所示。在工作过程中，扇形板和柔性密封片之间存在一定的间隙。由于双密封结构，空气预热器中的气体泄漏经过的区域依次为空气区、中间过渡区、烟气区，其流动区域如图4所示。
图3柔性密封装置
图4烟气流动区域回转式空气预热器漏风主要分为直接漏风和携带漏风两种形式，其中直接漏风量约占漏风总量的70%，因此将直接漏风量作为计算对象。假设空气区、过渡区和烟气区中的气体压强分布均匀，在结合流体伯努利方程的基础上得到空气区与过渡区的烟气泄漏量G1、过渡区与烟气区的烟气泄漏量G2，从而得到空预器的直接漏风量GS，其计算公式为
图4烟气流动区域
回转式空气预热器漏风主要分为直接漏风和携带漏风两种形式，其中直接漏风量约占漏风总量的70%，因此将直接漏风量作为计算对象。假设空气区、过渡区和烟气区中的气体压强分布均匀，在结合流体伯努利方程的基础上得到空气区与过渡区的烟气泄漏量G1、过渡区与烟气区的烟气泄漏量G2，从而得到空预器的直接漏风量GS，其计算公式为
式中：P0为过渡区均匀压强，Pa；P1为空气区均匀压强，Pa；P2为烟气区均匀压强，Pa；ξ为局部阻力系数；F为泄漏面积，m2；ρ为气体密度，kg/m3。由推导公式(5)可知，理论上采用双密封结构时直接漏风量为采用单密封结构时漏风量的，即漏风量可减少约29%。直接漏风量的大小与漏风面积成正比，与一、二次风仓和烟仓压差的平方根成正比。2空气预热器模型简化及网格划分2.1空气预器热模型简化回转式空预器中的密封系统直接影响着结构漏风量，本文选择漏风量最大的径向密封漏风为研究对象。径向密封漏风的主要原因为烟气仓和一次风仓间、一次风仓和二次风仓间、二次风仓和烟气仓间存在压差。柔性密封片在通过扇形板的过程中发挥密封作用，在作用过程中，当风压方向与密封片所受位移载荷方向相同时，扇形板承受风压值最大，处于最不利工况。鉴于整个回转式空预器结构复杂、尺寸大等特点以及考虑到仿真计算机的计算能力和仿真结果的准确性，仅选取处在最不利工况下的烟气仓与一次风仓间的扇形区域作为研究对象，如图5所示。
式中：P0为过渡区均匀压强，Pa；P1为空气区均匀压强，Pa；P2为烟气区均匀压强，Pa；ξ为局部阻力系数；F为泄漏面积，m2；ρ为气体密度，kg/m3。由推导公式(5)可知，理论上采用双密封结构时直接漏风量为采用单密封结构时漏风量的
2空气预热器模型简化及网格划分
2.1空气预器热模型简化
回转式空预器中的密封系统直接影响着结构漏风量，本文选择漏风量最大的径向密封漏风为研究对象。径向密封漏风的主要原因为烟气仓和一次风仓间、一次风仓和二次风仓间、二次风仓和烟气仓间存在压差。柔性密封片在通过扇形板的过程中发挥密封作用，在作用过程中，当风压方向与密封片所受位移载荷方向相同时，扇形板承受风压值最大，处于最不利工况。鉴于整个回转式空预器结构复杂、尺寸大等特点以及考虑到仿真计算机的计算能力和仿真结果的准确性，仅选取处在最不利工况下的烟气仓与一次风仓间的扇形区域作为研究对象，如图5所示。
图5模型计算区域2.2空气预热器网格模型采用三维软件Pro/Engineer建立研究对象的三维模型，导入到分析软件AnsysWorkbench中对模型进行网格划分。Workbench内嵌的Fluent可进行流场数值模拟。建立的几何模型计算域包含了两个部分，流体域与多孔介质域。综合考虑网格数量和质量对计算时间和计算结果精度的影响，对流体域和多孔介质域进行合理的网格划分，其结果如图6所示。
图5模型计算区域
2.2空气预热器网格模型
采用三维软件Pro/Engineer建立研究对象的三维模型，导入到分析软件AnsysWorkbench中对模型进行网格划分。Workbench内嵌的Fluent可进行流场数值模拟。建立的几何模型计算域包含了两个部分，流体域与多孔介质域。综合考虑网格数量和质量对计算时间和计算结果精度的影响，对流体域和多孔介质域进行合理的网格划分，其结果如图6所示。
图6回转式空预器计算部分网格3空气预热器流场仿真分析在回转式空预器结构中，扇形板圆周角为22.5°，转子中的单个仓格圆周角为11.25°，转子在旋转工作的过程中，由于柔性密封装置采用双密封结构，始终有两道柔性密封片作用于扇形板。柔性密封片将扇形板三等分时的工况作为研究工况，将观测点布置在回转式空预器半径同一曲面上，如图7所示。经过仿真计算，得到的流场压力云图如图8所示。3.1密封间隙对流场压力分布的影响选取不同的密封间隙2mm~8mm，间隔为1mm，研究密封间隙对空气区、过渡区以及烟气区的流场压力的影响，其结果如图9所示。
图6回转式空预器计算部分网格
3空气预热器流场仿真分析
在回转式空预器结构中，扇形板圆周角为22.5°，转子中的单个仓格圆周角为11.25°，转子在旋转工作的过程中，由于柔性密封装置采用双密封结构，始终有两道柔性密封片作用于扇形板。柔性密封片将扇形板三等分时的工况作为研究工况，将观测点布置在回转式空预器半径同一曲面上，如图7所示。经过仿真计算，得到的流场压力云图如图8所示。
3.1密封间隙对流场压力分布的影响
选取不同的密封间隙2mm~8mm，间隔为1mm，研究密封间隙对空气区、过渡区以及烟气区的流场压力的影响，其结果如图9所示。
1.热端烟气入口2.热端二级密封烟气区3.热端二级密封过渡区4.热端一级密封过渡区5.热端一级密封空气区6.冷端二级密封烟气区7.冷端二级密封过渡区8.冷端一级密封过渡区9.冷端一级密封空气区10.冷端空气入口图7观测点位置
1.热端烟气入口2.热端二级密封烟气区3.热端二级密封过渡区4.热端一级密封过渡区
5.热端一级密封空气区6.冷端二级密封烟气区7.冷端二级密封过渡区8.冷端一级密封过渡区
9.冷端一级密封空气区10.冷端空气入口
图7观测点位置
图8流场压力云图
(a)密封间隙对空气区流场压力的影响
(b)密封间隙对烟气区流场压力的影响
(c)密封间隙对烟气区流场压力的影响图9密封间隙对流场压力分布的影响分析图9可知，随着径向密封间隙等间距增大，空气区和过渡区观测点的流场压力逐渐减小，烟气区观测点的流场压力逐渐增大；冷端空气区入口处压力始终大于其一级密封区压强，热端空气区出口处压力始终小于其一级密封区压力；一级密封空气区与空气出入口间的压强差随着密封间隙的增大而减小且不为零，因此，将回转式空预器空气仓出入口处的压力值直接作为柔性密封装置在空气区承受的风压值进行计算具有一定误差，密封间隙越大，其误差越小。3.2密封间隙对密封压差的影响取不同的密封间隙2mm~8mm，间隔为1mm，研究密封间隙对密封片两端压差的影响，其结果如图10所示。
(c)密封间隙对烟气区流场压力的影响
图9密封间隙对流场压力分布的影响
分析图9可知，随着径向密封间隙等间距增大，空气区和过渡区观测点的流场压力逐渐减小，烟气区观测点的流场压力逐渐增大；冷端空气区入口处压力始终大于其一级密封区压强，热端空气区出口处压力始终小于其一级密封区压力；一级密封空气区与空气出入口间的压强差随着密封间隙的增大而减小且不为零，因此，将回转式空预器空气仓出入口处的压力值直接作为柔性密封装置在空气区承受的风压值进行计算具有一定误差，密封间隙越大，其误差越小。
3.2密封间隙对密封压差的影响
取不同的密封间隙2mm~8mm，间隔为1mm，研究密封间隙对密封片两端压差的影响，其结果如图10所示。
图10密封间隙对密封压差的影响由图10可知，随着径向密封间隙等间距增大,冷端和热端一级压差逐渐增大，冷端和热端二级压差逐渐减小。随着密封间隙的增大，冷热端一二级压差最大值均不超过7000Pa。3.3密封间隙对漏风率的影响取不同的密封间隙2mm~8mm，间隔为1mm，研究密封间隙对回转式空预器漏风率的影响，其结果如图11所示。
图10密封间隙对密封压差的影响
由图10可知，随着径向密封间隙等间距增大,冷端和热端一级压差逐渐增大，冷端和热端二级压差逐渐减小。随着密封间隙的增大，冷热端一二级压差最大值均不超过7000Pa。
3.3密封间隙对漏风率的影响
取不同的密封间隙2mm~8mm，间隔为1mm，研究密封间隙对回转式空预器漏风率的影响，其结果如图11所示。
图11密封间隙对漏风率的影响分析密封间隙对回转式空预器漏风率的影响结果得到：随着径向密封间隙等间距增大,回转式空预器漏风率也随之增大。回转式空预器漏风率和密封间隙基本上呈线性关系，模拟的结果与推导出来的公式(5)相吻合。从影响结果中可知，要实现漏风率小于5%的目标，柔性密封装置与扇形板之间密封间隙要控制在3mm内。回转式空预器的实测漏风率约6.8%，对比分析模拟结果，结果中6.8%的漏风率对应的密封间隙约为4mm。针对在4mm密封间隙，将模拟结果中的回转式空预器参数和实测参数进行对比，其结果如表1所示，两者的相对误差最为-6.6%，在的允许误差内。
图11密封间隙对漏风率的影响
分析密封间隙对回转式空预器漏风率的影响结果得到：随着径向密封间隙等间距增大,回转式空预器漏风率也随之增大。回转式空预器漏风率和密封间隙基本上呈线性关系，模拟的结果与推导出来的公式(5)相吻合。从影响结果中可知，要实现漏风率小于5%的目标，柔性密封装置与扇形板之间密封间隙要控制在3mm内。回转式空预器的实测漏风率约6.8%，对比分析模拟结果，结果中6.8%的漏风率对应的密封间隙约为4mm。针对在4mm密封间隙，将模拟结果中的回转式空预器参数和实测参数进行对比，其结果如表1所示，两者的相对误差最为-6.6%，在的允许误差内。
3.4转子运行中对流场压力的扰动回转式空预器中单个扇形板的圆周角为22.5°，单个仓格的圆周角为11.25°，在转子的运行过程中会出现2个仓格和扇形板重叠的情况，这瞬间扇形板上作用有3道密封，称其为“三密封”时刻。以“三密封”时刻为起始，选取转子转动2.25°、4.5°、6.75°、9°、11.25°的五个工况进行流场仿真分析。转子运行中空气区、烟气区、过渡区的流场压力变化情况如图12所示。
3.4转子运行中对流场压力的扰动
回转式空预器中单个扇形板的圆周角为22.5°，单个仓格的圆周角为11.25°，在转子的运行过程中会出现2个仓格和扇形板重叠的情况，这瞬间扇形板上作用有3道密封，称其为“三密封”时刻。以“三密封”时刻为起始，选取转子转动2.25°、4.5°、6.75°、9°、11.25°的五个工况进行流场仿真分析。转子运行中空气区、烟气区、过渡区的流场压力变化情况如图12所示。
(a)转子运行中空气区的流场压力变化情况
(b)转子运行中烟气区的流场压力变化情况
(c)转子运行中过渡区的流场压力变化情况
由图12可知，当旋转角度为0°和11.25°时，扇形板上刚好有3道密封，冷端空气入口压力和冷端一级密封空气区压力基本一致。实际中的这两个时刻，回转式空预器中的一级密封刚好运行到冷端空气入口，两者的压力差最小，和模拟结果一致。针对烟气区，随着旋转角度的增大，热端入口压力波动较小，冷热端二级区压力波动较大；当旋转角度为0°和11.25°时，冷热二级密封烟气区的压力达到最大，分别为1823Pa和1841Pa，此刻扇形板间出现了2个过渡区。过渡区的压力随着旋转角度的增大先减小后增大，整体波动较大；整个区域的压强在旋转角度为0°和11.25°时达到最大值，为6094Pa。
3.5转子运行中漏风率变化
旋转角度从0°变化到11.25°，回转式空预器的漏风率变化情况如图13所示。
图13转子运行中漏风率的变化情况从图13可知，随着旋转角度的增大，回转式空预器漏风率先增大后减小。旋转角度为0°和11.25°时，烟气区和空气区之间存在3道密封，其漏风率在此时达到了最小值，为3.98%。4结论1)回转式空预器流体仿真中，随着密封间隙等间距增大，空气区和过渡区的整体压力呈减小趋势，烟气区压力呈增大趋势，空预器漏风率也随着增大。要将空预器漏风率控制在5%以内，其漏风间隙需小于3mm。2)随着密封间隙等间距增大，烟气区与过渡区间的压差呈下降趋势，过渡区与空气区间的压差呈现缓慢上升趋势。密封间隙从2mm变化到8mm的过程中，密封片受到的最大压差不超过7000pa。3)在单个仓格的圆周角范围内，空预器漏风率随着角度的增大呈现出先增大再减小的变化规律，在扇形板会经历“三密封”时刻，其空预器漏风率达到最小值，为3.98%。参考文献[1]曲建安,赵东飞.锅炉上的空预器[J].应用能源技术,2001(1):22，23.[2]程万波.容克式空气预热器主要结构特点[J].锅炉制造，2008(3):25，26.[3]程健,张斌.电站锅炉漏风问题的分析[J].锅炉制造，2011(1):11-14.[4]R.B.Jonson.TestCodeforAirHeater[S].ASMEPerformanceTestCodesNewYork，1968.[5]孙长祥,陈加功,吕兆聚.回转式空预器漏风因素分析及对策[J].四川电力技术,2003(1):29-31.[6]王一坤,陈国辉,王志刚,等.回转式空气预热器密封技术及研究进展[J].热力发电，2015(8):1-7.[7]李凤杰.浅析容克式空气预热器密封技术[J].机械设计与制造，1997(5).[8]常毅君,李虎,顾义,等.回转式空气预热器隔仓压差对柔性接触式密封片刚度和强度的影响[J].中国电机工程学报，2012(S1):174-181.[9]贡献.大型火电机组回转式空预器数学模型的研究[D].北京：华北电力大学,2001.
图13转子运行中漏风率的变化情况
从图13可知，随着旋转角度的增大，回转式空预器漏风率先增大后减小。旋转角度为0°和11.25°时，烟气区和空气区之间存在3道密封，其漏风率在此时达到了最小值，为3.98%。
4结论
1)回转式空预器流体仿真中，随着密封间隙等间距增大，空气区和过渡区的整体压力呈减小趋势，烟气区压力呈增大趋势，空预器漏风率也随着增大。要将空预器漏风率控制在5%以内，其漏风间隙需小于3mm。
2)随着密封间隙等间距增大，烟气区与过渡区间的压差呈下降趋势，过渡区与空气区间的压差呈现缓慢上升趋势。密封间隙从2mm变化到8mm的过程中，密封片受到的最大压差不超过7000pa。
3)在单个仓格的圆周角范围内，空预器漏风率随着角度的增大呈现出先增大再减小的变化规律，在扇形板会经历“三密封”时刻，其空预器漏风率达到最小值，为3.98%。
参考文献
[1]曲建安,赵东飞.锅炉上的空预器[J].应用能源技术,2001(1):22，23.
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[9]贡献.大型火电机组回转式空预器数学模型的研究[D].北京：华北电力大学,2001.
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