[发明专利]基于有限差分法的回转式空气预热器积灰分层监测方法

权利要求书

1.基于有限差分法的回转式空气预热器积灰分层监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对空气预热器转子建立计算模型，通过有限差分法构造方程组；采用了有限差分法并解方程组进行预热器蓄热元件和气体的温度场计算，具体包括以下建模与方程组构造方式：

101)根据回转式空气预热器的工作原理，利用有限差分法对回转式空气预热器的转子所在空间进行离散化，将蓄热体所在空间进行网格化得到若干小单元体；在建立模型时着眼于蓄热体和流体所经过的控制容积，而蓄热体和流体十字交叉流过每个单元格进行换热，得到相应的有限控制体积；基于能量守恒原理，得到控制体的热平衡方程：

式中，r、z和θ分别表示回转式空气预热器转子的径向、轴向和切向；t表示气体的温度；m表示气体的质量流量；c表示气体的比热容；T表示蓄热体传热元件的温度；M表示蓄热体随转子转动进入控制微元的质量流量，与转子的转动速率有关；C表示蓄热体金属的比热容；ψ表示传热元件占转子空间的份额；λ表示导热系数；方程左侧的三项代表了分别由烟气或空气携带、蓄热体携带、蓄热体导热进入控制体积的能量；

102)在控制体积中，流体与蓄热体之间存在相互传热，传热方程被表示为：

其中σ表示蓄热体的传热面积密度；方程的左侧代表流体能量的增加量，右侧项代表蓄热体向流体的对流传热；假设条件：转子入口的烟气和空气的温度和成分均匀分布；烟气和传热元件金属的物性参数只与温度有关系；忽略烟气和空气的导热，以及与传热元件的辐射换热；忽略携带漏风对预热器传热的影响；根据传热元件在转子中的装填方式，认为蓄热体在切向的导热为零，忽略蓄热体在径向的导热，只考虑蓄热体在轴向的导热，此时，热平衡方程转换为：

回转式空气预热器的传热模型简化为二维模型；采用有限差分法，对热平衡方程和传热方程进行离散，得到如下两式：

其中，Θ_s和H分别表示转子在某气体分仓的切向角度和轴向高度；A_m表示转子上某一个气体分仓的流通面积；f_i和f_j分别表示每个微元在轴向和切向所占蓄热体的份额；下标i和j用于表示二维模型中离散微元所在的位置；M为蓄热体的质量流量，S为传热元件换热面积，表示为：

S＝σA_mH

其中，ρ表示气体密度；Ω表示转子的转速；结合上述方程简化为以下方程组：

F₁t_i-1/2，j+F₂t_i+1/2，j+F₃t_i+3/2，j+Bt_i，j-1/2＝0

其中：i＝1；j＝1，2，3，...，g；

F₄t_i-3/2，j+F₁t_i-1/2，j+F₂t_i+1/2，j+F₃t_i+3/2，j+Bt_i，j-1/2＝0

其中：i＝2，3，...，n-1；j＝1，2，3，...，g；

F₄t_i-3/2，j+F₁t_i-1/2，j+F₂t_i+1/2，j+Bt_i，j-1/2＝0

其中：i＝n；j＝1，2，3，...，g；

T_i，j+1/2+T_i，j-1/2＝C₁t_i-1/2，j+C₂t_i+1/2，j

其中：i＝1，2，3，...，n；j＝1，2，3，...，g；

在上述方程组中，F₁、F₂、F₃、F₄、B、C₁、C₂均为简化后的方程系数，能够直接计算得到；

2)先假设转子第一层的灰污系数ξ和各分仓出口处温度，其中灰污系数为实际传热系数与清洁状态传热系数之比，将已知的各分仓入口温度和其他实时监测数据作已知条件，在第一层进行循环迭代、解方程组，得到第一层所有节点的温度；迭代流程包含以下步骤：

201)先对第一层传热元件进行温度计算，假设ξ₁为第一层的灰污系数，此处定义沿烟道流动方向为顺流，和烟道的流动方向相反为逆流，无论某一分仓的顺逆流情况，其入口温度均用测得的参数直接计算，而出口温度先假设为未知数，这是为了后续将计算值和实测值进行比较；

202)给烟气侧第一分仓蓄热体旋转入口温度节点赋初值，解方程组得到烟气侧第一分仓的所有节点温度分布，将烟气侧第一分仓温度传递给烟气侧第二分仓并用解方程组计算第二分仓的所有节点温度分布，依次类推，得到烟气侧的所有分仓节点温度；

203)将烟气侧温度传递给空气侧，通过解方程组得到空气侧的所有分仓节点温度分布；

204)根据回转式空气预热器的温度连续性，将空气侧旋转出口节点温度与假设的烟气侧旋转进口节点温度进行比较，若二者温差在1％以内，则认为计算收敛，完成第一层节点温度计算；若二者温差大于1％，则重新假设烟气侧旋转入口温度，在第一层进行循环迭代计算，直到第一层蓄热体温度连续性条件得到满足，若转子传热元件仅有一层，则整个转子节点温度计算完毕；

3)在每两层相邻的蓄热元件间的各分仓处增加至少一个温度测点；采用温度测量方法，在各层蓄热元件之间位置的转子与定子上设置所需要个数的孔洞，并在定子外设置无线测温装置，当转子孔洞、定子孔洞与测温设备位于一条直线上时，则可测得转子内部烟气温度，此温度被用作在后续温度场校核计算，从而判断假设的传热系数是否准确；

4)比较各分仓出口温度的计算值与相应的实测温度值，若所有测点处的偏差均在2％以内，则灰污系数的假设合理，若偏差大于2％，则根据偏差的正负重新假设，直到计算值与实测值偏差在2％以内；

5)将第一层节点温度传递给第二层，计算转子所有层的节点温度与灰污系数ξ，灰污系数直接反应积灰情况，当灰污系数等于1时表示该层没有积灰。

2.根据权利要求1所述的基于有限差分法的回转式空气预热器积灰分层监测方法，其特征在于，灰污系数ξ是介于0与1之间的准则数。