空气预热器积灰在线监测模型
王建国 徐志明 杨善让
东北电力学院，吉林省吉林市132012
1 引言
锅炉是火力发电厂事故率最高的主设备。而其尾部受热面的积灰是引发事故的主要原因之一。积灰是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上的沉积，是微粒污垢的一种［1］。灰粒在受热面上沉积后，由于其导热系数很低，热阻很大，致使传热恶化，从而导致排烟温度提高，降低了经济性。为使锅炉维持所需负荷，必须增加燃料量，灰量随之增多，形成恶性循环，进而导致其它事故发生。据估算，美国的燃煤电站的比例远小于我国，由于积灰和结渣而引起的经济损失每年却高达20～100亿美元［2］。目前，在锅炉运行中减轻积灰的方法是进行吹灰。但由于没有积灰监测设备，吹灰常常盲目地定时进行。这种不考虑积灰情况的定时吹灰可能导致吹灰周期和吹灰时间过长或过短，其后果轻则降低经济性，重则可能损伤受热面，导致事故。因此，开发积灰监测装置，在测量结果的指导下进行吹灰操作可避免盲目性，提高锅炉运行的经济性和安全性。在这样的指导思想下，根据传热学的基本原理，我们提出了一个管式空气预热器积灰热阻的在线监测模型。并在实验室进行了实验验证。本文将详细介绍积灰监测模型和实验结果。
2 积灰热阻的分析模型
管式空气预热器是一个立置的管壳式换热器，烟气由上而下在管内流动，空气在管外横向冲刷。积灰发生在管内烟气侧（见图1）。积灰的程度用灰污系数ε（即灰层热阻）来衡量。根据传热学知识，灰污系数为
ε＝（Ts－Tw）／q（1）
式中 Ts和Tw分别为积灰层外表面（与烟气交界面）温度和换热面壁温；q为热流密度。
如果假定①积灰沿管壁是均匀分布的；②热流密度沿周向、轴向均匀不变；③流体是常物性。则式中积灰层表面温度Ts可以通过对图1所示的换热管微元的分析得到
απdd x（Ts－Tg）＝ρ（πd2／4）Vcpd Tg （2）
x＝0时，烟气温度Tg＝Tgi；x＝l时，T＝Tgo，在整个管长上积分得到：
式中 Stanton数St＝α／（ρVcp）可以通过Colburn类比与范宁摩擦阻力系数f及Prandtl数联系起来
St＝fPr－2／3／8 （4）
对圆管内充分发展的湍流流动有
f＝Kf／Rea （5）
式中 常数Kf和a可以根据Re的范围按下式选择：
Kf＝0．316 a＝0．25 5×103＜Re＜3×104 （6） Kf＝0．184 a＝0．2 3×104＜Re＜1×106 （7）
式中Re=Vd/v=4m/πdμ考虑到烟气流速V（或流量m）的在线测量不如流动压降测量容易，因此，烟气平均流速V的测量可以通过烟气压降Δp的测量来代替。
Δp＝Δpi＋Δpa＋Δpo（8）式中 Δpi，Δpa和Δpo分别为入口烟道，空气预热器和出口烟道的流动压降。
进出口烟道的压降为
根据文［3］，通过空气预热器烟气的全压降可以表示为速度损失Δpv、流动阻力Δpr和自生通风Δpw3部分之和，即
Δp＝Δpv＋Δpr＋Δpw （10）
其中速度损失为［4］
自生通风为
Δpw＝（ρa－ρ）gl （13）
式中 ρa为大气密度。
联合求解式（5）及（8）～（13），可求出烟气的质量流量m。求解时，常数Kf和a可以在估取Re后由式（6）和（7）来选取。如果求得的m所对应的Re超出了Kf和a的允许范围，则按所对应的Re重新选取Kf和a。如此重复进行，直至两者一致为止。
值得注意的是，这里的St是以烟气的平均温度Tg作为定性温度的。而Pr则是由Tg和Ts的算术平均值确定的。另外，还要说明一点，虽然Colburn类比是由清洁管道的各种流动状态导出的，Kirkpatrick等［4］研究表明，Colburn类比可以应用到Re超过104的有污垢管道，甚至可以近似应用于水力粗糙管。
至于式（1）中的热流密度q，可以通过烟气的能量平衡得到
式中 Δp0为洁净时的流动压降。
在一次近似中，式（14）和（15）中的δa可以忽略不计，因为通常δa＜＜d为了使监测具有代表性，可以选取空气预热器中4～6个有代表性的换热管进行监测。
3 模型的实验验证
实验系统由加热段1、测速加灰段2、实验段3、稳定段4、引风机5和烟囱6等组成（如图2）。实验段是一套管式换热器。采用本文分析模型与传统的传热系数法同时测量。实验结果如图3所示，可见，两种方法得到的结果基本一致，但本文提出的方法（图中实线）的波动要比传热系数方法（图中虚线）小得多，证明本方法是可靠的。
（a） （b）
4 结束语
本文所建空气预热器积灰监测模型，仅通过易测量的温度和压降来反映积灰情况，并经实验表明结果可信。基于该模型开发的积灰监测仪，易于实现空气预热器积灰热阻在线测量。
参考文献：
［1］ 杨善让，徐志明．换热设备的污垢与对策［M］．北京：科学出版社，1995．
［2］ 岑可法，等．锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算［M］．北京：科学出版社，1994．
［3］ 莫强СИ主编，杨文学等译．锅炉设备空气动力计算标准方法［M］．北京：电力工业出版社，1981．
［4］ 陈学俊，陈听宽．锅炉原理（下）［M］．北京：高等教育出版社，1991．
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