燃机余热锅炉热力计算传热单元数法简介及EXCEL应用应用,使用,介绍,热力计算,EXCEL,单元传热,传热计算,余热锅炉,及应用,Excel

  余热锅炉 2013．2 l 燃机余热锅炉热力计算传热单元数法简介 及EXCEL应用 杭州锅炉集团股份有限公司 吕 勋 李升华 摘 要 热力计算是锅炉设计的基础，卧式燃机余热锅炉具有典型的模块结构 及布置形式，其热力计算标准化程度高，利于传热单元数法的应用。使用EXCEL 可以方便的建立数据库以查询物性等参数，调用灵活。 关键词 燃机余热锅炉 热力计算 EXCEL 本文针对的炉型为典型的9E级卧式双 压无补燃自然循环燃机余热锅炉，其具有典 型的模块结构及布置形式，烟道内部为密集 的受热面管，烟道两侧为保温护板，其传热 模型为典型的烟气横掠管束模型(如图1)， 对于工质流向本文仅考虑逆流。 图1 模块结构及布置形成 1．计算方式简介 1．1 传热单元数法(￡-NTU法) 锅炉热力计算根据已知条件不同分为 设计计算与校核计算，对于全新的锅炉产 品，有必要进行设计计算来确定各受热面的面 积。燃机余热锅炉结构及形式成熟，标准化程 度高，应用校核计算进行变形设计非常便 捷。 校核计算常用的有平均温差法和 ￡．NTU法两种。￡-NTU法相对于平均温 差法而言，可以少算一次对数平均温差，相 对方便，且对NTU值进行修正可以方便的 调节各受热面的吸热能力。 对于锅炉内的逆流换热： 必有W． m’·Cp’

  Wm·Cp，则： ，0· Wm·cp)闭 R=(Wm·cp)／(Win’·Cp’) ￡： 二 ! 跚 F 而闭 ￡：[量 【 2】 2i一 式中：Wm’一烟气质量流量 W一工质质量流量 CD’—烟气定压比热容 CD_一工质定压比热容 (==丫+ ／ ===二二= 9 2 余热锅炉 2013．2 NrIJ一传热单元数 ￡一换热器效能 T．一烟气进口温度 t2一工质出口温度 t～工质进口温度 NTU为无量纲数，其相对大小表征的 是模块的吸热能力与经济性，NTU值越高， 吸热能力越强，同时成本也越高。 1．2 总传热系数U0 II ： ! 圆 。 A 。／(hi·Ai)+l／lh+A。·b，·A)+ 式中：b一管子壁厚 一 管子内表面积 A忸一按管中径的面积 一 受热面外表面积 九一管壁导热系数 毛一污染系数 1-3 管内传热系数lli =0．023(九／Di)Re~pro． 4嘲 式中：Di一管内径 Re一雷诺数 Pr一普朗特数 1． 4 烟气侧传热系数hc 烟气侧的传热包含辐射传热和对流传 热，对于受热面为由鳍片面积较大的螺旋鳍 片管组成的模块，对流传热占主要比重，辐 射传热可忽略。其传热系数可应用柯尔朋 类比律，按图2流程计算。 对于受热面管为光管的模块，其辐射传 热所占比重较大，不可忽略。其对流传热部 分可应用格雷米森实验关联式计算： Nu=1．13CReⅡPro· [4】 式中：Nu～努赛尔数 C，11一常数 结构及形式、烟气条件 物性参数、特征准则数 传热因子J 平均传热系数h0，鳍片效率 烟气侧传热系数he 图2 流程图 烟气流速V眦取烟气流经第一排管的 流速，定性温度t=：( t霄)，2，tr为烟气进出口 温度的算术平均值。按格雷米森实验关联式 对于纵向管排少于10排的模块还需要仔细考虑 纵向管排数修正系数，考虑到燃机余热锅炉 流场稳定，可不用修正。 1．5 管壁导热系数 管壁的导热系数根据不同的管子材料 选取，由于管壁的热阻占总热阻的比重很 小，所以能忽略温度对导热系数的影响， 为方便计算，本文按照碳钢45W／(m·℃)，合 金钢35W／(m·℃1考虑。 1． 6 污染系数乏 管内污垢系数按0．0002m2o℃ 考虑。 燃用天然气的燃气轮机排气较洁净，受 热面管外污染系数可按0． 0006m．℃／W考虑， 对于配置补燃的锅炉，需要针对不一样的燃料 考虑相应的外部污染系数，可参考文献【 5】，本 文不作讨论。 1。7 工质的压力降 工质在管道、受热面的压降对计算有很 大影响，具体计算方式对可参考文献网网，这 里不再赘述。 余热锅炉 2013．2 3 2．部件的迭代计算 锅炉热力计算需要做大量迭代计算的 工作，迭代计算的目的是根据工质、烟气的 进口参数，求工质、烟气的出口参数，此过程 需要先假定一个模块出口烟气温度T2n】，这 里针对高温过热器进行迭代计算示例。为了 更简便的查询烟气物性，这里将烟气成分定 义为100％过热蒸汽H2O： 过热器皿SH由螺旋鳍片管组成，结构 参数： 表1 结构参数 管子外径 Dd 38．1 mm 管子壁厚 6 3．43 mm 储片管长度 L 19080．5 mm 横向节距 St 88 n皿 纵向节距 Sl 110．5 mm 横向管排数 m 84 纵向管排数 n 8 流程管排 168 鳍片节距 S 4．42 mm 鳍片高度 h 16 n】m 鳍片厚度 t 1 mm 鳍片宽度 w 4．5 mm 表2 烟气参数 表3 工质参数 I 星适量I l !!墨 I 吐 l l 些旦匡 I I Z：2 I 垒 l 为示例简便，不考虑连接管道的压力损 失、锅炉本体的散热损失、排污损失及污染 系数，所要求的是烟气出口温度T2和过热器 出口温度t2，系统示意如下： 11预估蒸汽流经过热器压降约为 O． 8MPa，则蒸发器出口饱和蒸汽压力P。约 为8． 74Mpa，对应饱和温度t，为302． 06℃。 21预估蒸发器的窄点、接近点温度 图3 系统示意图 分别为20℃、l0℃，则 烟 气 温 度 L 为 322． 06℃，蒸发器入 口温度 t_l 为 292． 06℃。 3) 工质 由未饱和水温度 t3加热到饱和 蒸汽温度 t，需要 的吸热量 为 606544789KJ／ h，则 根 据 热 平 衡 ，可 得 到 烟 气 温 度 T：约 481．5℃，根据这 个值可 以进行第一次迭代， 迭代结果如下表 ： 表4 第一次迭代结果 烟气进 口温度 T 549．2 ℃ 预估烟气出 口温度 T： 481．5 ℃ 烟气 放热量 266548141 预估工质进 口温度 t。 302．O6 ℃ 根据热平衡求 得的 t2 492．7l ℃ 总传 热系数 Uo 55．16270 W／(m ·℃ 1 R 0．3 55 26 3 N rr U 2 ．2 79 25 3 ￡ 0．83 84 87 根据 ￡-NTU 求得 的 t2 509．29 ℃ 工质吸热量 283824092 4) 可 以看 出表 4 中工质吸热量 明显大 于烟气放热量许 多，于是，根据工质 的放热量 用热平衡求 出烟气 出口温度 T2为 477．06℃， 根据这个值可 以进行第二次迭代，往后的迭 代计算还需要修正受热面 的压 降，过程不再 赘述，最终结果见下表 ： 表5 第二次迭代结果 烟气进 口温度 Tl 549．2 ℃ 烟气出I：1温度 T2 476． 67 ℃ 烟气放热量 285352456 工质入 口压力 P。 8．745 田a 工质进 口温度 t， 3o2．14 ℃ 工质 出 口压力 P： 7．94 Ⅳ a 工质 出13 温度 t2 5 10．87 ℃ 4 余 热 锅 炉 20 13．2 续 衰5 工质吸热量 285461533 总传热系数 Uo 54 ． 98 W／(m2·℃ ) R O．34 76 14 1 NT U 2 ．32 37 62 9 ￡ O．84 49 0 32 受热面压降 0．805 【Pa 5) 上表 中工质吸热量 与烟气放热量虽 然仍 不相等 ，但足 以满足 工程计算 精度 ，在 迭代计算中需先设置精度的要求 。 3．系统的迭代计算 典型 9E 级燃机余热锅炉 的系统为双压 手 k枞 白 镄 循 环 -h 乏 练 谛 -ha -K ． t ： ‘● 图4 典型9E级燃机 系统流程 图 对于燃机余热锅炉的校核计算 ，己知条 件 ： 1) 锅炉几何尺寸 2) 烟气入 1： 3成分、流量 、温度 T1 3) 凝结水入 I=1温度 tl (若有 再循环则 为再循环出 口温度，本文不作讨论) 4) 高压过热器 出 口压 力 P：、低 压过 热 器出口压力 Pa2 需要计算 的结果 ： 11 高、低压过热器出口流量、温度 21 凝结水入 I=l压力 计算流程 ： 11 低压过热器一般流量低，压 降少，吸 热也少，不妨预估其流量为 0，则其压 降也为 0，这样低压蒸发器工作所承受的压力等于 ，出口温 度为饱和温度 。 2) 预估低 压蒸发器 的窄点、接近 点温 度分别为 20℃、10℃，则可得到低压省煤器 出口温度 ta2，低压蒸发器模块烟气出 口温度 Ta，，根据 已知条件能得出 e值 。 3) 低 压省煤 器 内工质 为未饱 和水，其 热 阻远 小于 烟气 热 阻，总传热 系数 主要 由 烟气侧 决定 ，不妨假 设水侧传热系数 为 280 W／(m · ℃ )，而烟气温 度对 烟气侧传热系数 的影响也较小，不妨预估烟气 出口温度 T目 = ，+30，这样便可求 出低压省煤器的总传热系 数 Uo。 4) 低压省煤器 的内工质 的定压 比热 容 在 不 同温 度 下 的变化 很 小，可 以按 定值考 虑 。并且 ，根据预估的 Ta 、 ，可知烟气的平 均定压 比热容，由此可得 R 值。 5) 根据 已知的￡值、R 值可以求出NTU 值，再根据 U0、受热面积 A 、定压 比热容 c 可 求出低压省煤器的流量 Wlm。 6) 由于前面 已经假设低压过热器流量 为 0 ，因此高压省煤器 的流量便等于低 压省 煤器的流量 ，低压 省煤器 的流量 经低压蒸发 器加热为饱和水温度 ta0。 7) 由此 便可 开 始 进 行 部件 的迭 代计 算，按照第 2 节 的方法从高压过热器开始逐 个计算，若蒸 发器蒸发量不等于计算时的流 量 ，则在下一 次迭代 时由蒸发量替换流量进 行计算 。 实 际项 目热力计算 中烟气 阻力是影 响 结构的重要条件 ，需要调整锅炉几何布置来 满足烟气 阻力的要 求，其计算方式可参考文 献 嘲用 另外，汽水流速 也有相应 的推荐 值， 可参考文献 网，这里不再赘述 。 4．EXCEL 应用 4．1 建立数据库 余 热 锅 炉 2013．2 5 EXCEL 制作 数据库十 分方 便，如将 格 雷米森数填入表 中，可 以用 VBA 方便 的制 作成宏 ，通过 Do Unti l、For、If语句进行查询 。 如表 6，可 以分别定义行号、列号进行查 找，用 Do Unti l 语 句 ，找 到 S／D，S／D 值 所 在 的区间，返 回区间的高值 、低值 ，通过差值 法计算 中间值。差值法还可 以另编写一个如 下的宏图 5 ： 表6 Do Until查找示例 St ／D 1．2 5 1．5 2 3 SI／D C C C C 1．25 0 ．57 5 0．56 1 0 ．5 76 0．5 78 1．5 0．50 l 0．5 l l 0 ．5 02 0 ．54 1 2 0 ．4 4 8 0 ．4 62 0 ．534 0 ．4 97 3 0．344 0 ．3 95 0 ．4 8 8 0 ．4 67 Func t i o n I nt e rpo l a t e (A As Va r i a nt ， 3 A， Va r i a nt ， C As V矗：i a nc ， D As Va r~ a nr ， E As v a r i a nt l I nCe r p o l a t e · D I f A — C - 0 Or D — E · 0 T he n E x i t Fu n c= i o n I nt e r po l a t e · D ÷ l f I暑 · A) ／ lC — A ) ) ’ l￡ 一 D》》 ￡ d & 。cio 图5 差值法定示例 包括物性等参数 ，都可 以制作成宏，宏 本身也可 以互相调用，使用灵活，维护方便 。 4．2 迭代计算 EXCEL 有 多种方 式 实现迭代计 算，具 体可参考文献 嘲，这里不再赘述。 5．结束语 本文仅 提 出 了总体 思路 ，实 际 的系统 包含再循环、抽汽、喷水减温等配置，并有散 热、漏风、水泵温 升、排 污等情 况需要仔细考虑 。 对于 9F 级燃机余热锅 炉，其 系统通常配置 为 3 压带再热 ，较 9E 级燃机余 热锅炉要 复 杂许多，求解方式也略有不 同。 EXCEL 相 对 于 编 程 语 言，开 放 性 好， 数据库建立便捷 ，利于计算程序 的进一步开 发、更新与完善。 参考文献 [1】北京锅炉 厂译 ．锅炉机组热力计算 方法 ( 原苏联 1973 年版) [M】．北京 ：机械 工业 出版社 ，1976 [2】时钧，汪家鼎，余国琮 ，陈恒敏 ．化学 工程手册 [M】．第二版 ．北京 ：化学工业 出 版社 ，1996 [3] 杨世铭，陶文铨 ．传热 学 嗍 ．第 四 版 ．北京 ：高等教育出版社 ，2006 [4 ] E ．D．Grimison Correlation and uti liz撕 on of new data on fl ow resi st ance and heat transfer for cross fl ow o f gases ov er tube banks [J]．Transacti ons of the ASME 1937 59： 583．．- 594 [5】冯俊凯 ，沈幼庭 ，杨瑞 昌 ．锅炉原理 及 计 算 ．第 三 版 ．北京 ：科 学 出版社 ， 2 003 [6】中华 人 民共 和 国 电力工业部 ．DL／ T5054—1996 火力发 电厂汽水 管道设计技术 规定 [S】．1996 [7】杜广生 ．工程流体力学 【M】．北京 ： 中国电力出版社 ，2005 [8】万 忠 海，张 捷 ．EXCEL 迭 代 功 能 在热 力计算 中 的应用 [J】．江西 电力，1006。 348X(2006)04．07．02．