本文是一篇工程硕士论文，本文利用软测量的方法开发了一套回转式空气预热器内热力参数在线显示系统，该系统能够对回转式空气预热器内的积灰状况进行判断，进而指导操作人员进行吹灰操作，确保设备稳定高效地运行。
第一章 绪论
1.1 研究背景
能源对一个国家的发展至关重要，我国能否持续、稳定、绿色的发展，还得解决好能源的问题。如今世界面临着石油时代向低碳时代的转型[1]，能源问题受到各国重视。全球各国为应对这一问题，将目光转向了可再生能源的利用。《BP 世界能源统计年鉴》分析中提到，2019 年一次能源消费增速不及上一年增速的一半，而可再生能源增速高于其他各类能源，增量占据全球一次能源增量的 41%，创下历史新高[2]。2020 年初以来，全球许多行业受到疫情影响，这使得 2020 年的碳排放量明显减少，同时也给可再生能源等低碳行业带来不小的冲击。随着疫情逐渐得到控制，各个行业逐渐回归正轨，能源转型危机并存[3]。2021 年，我国将“碳达峰”写入“十四五”规划中。为实现这一目标，除了加快调整和优化产业结构、能源结构以及大力发展新能源等战略方式外，通过提高煤炭燃烧热量的回收利用率和推广洁净煤技术来间接减少碳排放量也是一条有效的途径。
在火力发电厂中，空气预热器充分利用了煤炭燃烧后产生的烟气中的余热，很大程度上减少了热量损失，提高了煤炭热量的回收利用率。回转式空气预热器相较于其他空气预热器具有结构紧凑、耗材少、体积小等优点，但同时也具有漏风量大、结构复杂、运行维护工作多、检修复杂以及热态监测较为困难的缺点[5-7]。空气预热器安装在锅炉尾部烟道，用来回收烟气余热、预热空气。在火电机组中，空气预热器的作用[8]大致概括为三个方面。第一方面，通过热交换降低烟囱排烟温度，使锅炉的热效率得到提高，从而节省部分燃料资源。第二方面，空气从热烟气中获得热量使得空气温度升高，高温的空气进入锅炉炉膛提升了炉膛整体温度，增加了炉膛传热效率，降低了不完全燃烧损失。第三方面，一部分预热后的空气接入送粉机前的管道处，对进入锅炉的煤粉进行干燥处理，同时将煤粉吹入炉膛中进行燃烧。回转式空气预热器采用回热的换热方式，两气体间通过金属蓄热元件间接传热，图 1.1 为一种蓄热板，可以看到波纹板与定位板之间排列紧凑。实际运行过程中，在经过一段时间的使用后，蓄热板间会留下沾污，使得设备的运行效率降低。
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1.2 在线监测系统研究现状
1.2.1 在线监测系统概述及国内外研究现状
在线监测可分为本地监测和远程监测。本地监测系统采用的通信方式多为有线数据通信，主要针对于生产范围较小，距离相对较短的场合。远程监测系统则是运用无线远程通讯技术，它解决了远距离传输信息困难的问题，并且能够满足现代生产生活中大规模的监测需求。近些年随着电子硬件技术、通讯技术和计算机技术的不断发展，远程在线监测系统在电力、农业、工业等各行业得到了广泛的运用。
20 世纪六七十年代，美国就在水利工程中运用了远程监测技术，在加州的调水工程中安装计算机监控系统，实现了对调水设备的远程遥感控制。现在远程监测系统的运用越来越贴近人们的生活。在医疗上，El Zouka Hesham A 等[18]运用物联网通信技术设计了一套医疗保健监测系统，运用人工智能技术对患者的生理数据进行采集和分析，并发送至医疗中心，实现对患者身体状况的在线监测。Mellit Adel 等[19]开发了一套基于物联网的老年人身体健康监测的远程监测系统，该系统通过智能老年护理技术实现了对独居老人或残疾人生命体征的监测以及行为活动变化的监测。
我国在线监测技术相较于欧美等发达国家起步较晚，无论是在理论研究还是实际应用都还较落后。在电力行业，肖杨[20]设计了一套基于 B/S（Browser/Server）架构的电网运维在线监测系统，该系统提高了供电公司的供电效率，便利了电网设备运维工作的展开。李元源[21]设计了一套基于 B/S 的分布式容性设备绝缘监测系统，对变电站电气设备的绝缘参数进行实时监测，保障设备能够及时得到检修。邵麟淞[22]基于 C/S（Clinet-Server）架构设计的变电站综合自动化监控管理系统，该系统能实时获取设备运行状态和周围环境信息，对变电站内的各种元器件运行状态进行在线监控，当运行出现问题时及时向操作人员发出预警信息。任建亭[23]设计了基于大数据驱动的风电齿轮箱智能健康监测系统，以风电齿轮箱为研究对象，开展基于大数据驱动的风电齿轮箱智能健康监测系统的研究，利用大数据技术的分布式存储和并行计算能力，构建大数据驱动的高精度、强鲁棒性的智能健康监测分析模型。
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第二章 回转式空气预热器结构及其热力模型
2.1 回转式空气预热器结构
转子旋转过程中，蓄热原件从高温烟气中获得热量，再将热量传递至低温空气。壳体位于转子外围，通过中心梁与轴承连接，保持静止。密封装置位于转子外围和壳体的间隙，起到减少漏风的作用。回转式空气预热器工作过程中，一侧高温烟气从上方入口进入回转式空气预热器，对旋转的蓄热元件进行加热，而另一侧冷一次风和冷二次风则从下方入口流入回转式空气预热器，被加热后的蓄热元件加热。如此反复循环，转子每旋转一周就进行一次热交换，通过转子的连续旋转，烟气不断地将热量传给空气。
回转式空气预热器的气体通道分为烟气通道和空气通道。空气通道根据加热空气股数被分成多个通道。回转式空气预热器类型按照通道的数量可分为二分仓回转式空气预热器、三分仓回转式空气预热器和四分仓回转式空气预热器。图 2.1 是三分仓回转式空气预热器典型结构。
转子是回转式空气预热器的核心。如图 2.2 所示，转子由扇形仓、蓄热元件和中心筒组成。蓄热元件是空气预热器核心换热元件，它的特性能直接影响空气预热器的换热效果。蓄热元件放置于扇形仓，多个扇形仓围绕中心筒组成圆环，圆环固定于中心筒，中心筒与轴承连接，形成围绕主轴旋转的转子。在主轴方向，空气预热器越靠近上端部位温度越高，越靠近下端部位温度相对较低，根据这样的特性将空气预热器内部分为热端和冷端。为减少积灰对蓄热元件的损害，通常采用分层布置的方式，每层布置不同的蓄热元件，一般分为 3 层。
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2.2 回转式空气预热器热力模型
温度分布、压降和漏风关系到设备的稳定和安全经济运行，是回转式空气预热器重要热力参数。本小节对回转式空气预热器的传热模型、阻力计算模型和漏风计算模型进行介绍。
2.2.1 传热模型
回转式空气预热器内部的传热模型为数值计算模型。首先利用有限差分法对转子所在空间进行离散化，将蓄热体的所在空间进行网格化得到干小单元体，如图 2.4所示的若。其次，着眼于蓄热体和流体所经过的控制容积，采用欧拉方法建立模型。图中的 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，蓄热体沿着切向和流体沿着转子轴向形成十字交叉依次流过单元格完成热传递。
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然后，根据回转式空气预热器实际运行的特点，假设如下：
a）转子入口各分仓内各个块的温度一致； b）烟气和传热元件金属的物性参数忽略其他因素影响，假定只与温度有关； c）忽略烟气和空气的导热，以及与传热元件的辐射换热； d）忽略携带漏风对预热器传热的影响； e）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。
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第三章 回转式空气预热器性能计算程序实现 ................... 19
3.1 参数及其来源 .................................. 19
3.1.1 几何参数 .................................... 19
3.1.2 流体参数 ..................................... 20
第四章 热力参数在线显示系统开发 ......................... 37
4.1 系统设计......................................... 37
4.1.1 MVC 框架 ............................... 37
4.1.2 开发工具与环境 .......................... 39
第五章 空气预热器模拟运行系统开发 .......................... 49
5.1 空气预热器模型 ................................ 49
5.2 控制装置设计 ............................................ 52
5.3 热力参数在线显示系统测试 ................................. 57
第五章 空气预热器模拟运行系统开发
5.1 空气预热器模型
空气预热器模型主要包括支架、轴承、连轴器、步进电机、热电阻、分仓进出口、空预器外壳、扇形仓和蓄热元件等。
本文所设计的空气预热器模型相比于电厂中实际应用的空气预热器设备大小相差较大，因此在设计模型时，根据模型内部空间的大小，将转子空间分成了 12 个扇形仓。扇形仓通过长螺钉固定在转轴上，各扇形仓相互之间也用螺栓固定，它们共同组成转子的框架。空气预热器模型内部结构如图 5.1 所示。空气预热器内的扇形仓利用 3D 打印技术制作而成，其内部的蓄热填充元件用金属材质的蜂窝状铝板代替。设计轴承时，考虑到转轴需要支撑扇形仓和蓄热元件，以及转轴转动过程中的应力，普通的树脂 3D 打印材料无法满足其强度要求，因此转轴材质选用了铝材，运用数控车床加工而成。
在转子两端分别设计了如图 5.2 所示的盖板用于分仓。各分仓之间交界处设计的挡板形状能够有效防止流体在分仓出口处的泄露。如图 5.2 所示，考虑到转子位置的固定，设计一条中心横梁，将转轴通过轴承固定在上下横梁之间，使得空气预热器模型的转动部件和静止部件的相对位置固定不变。
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第六章 全文总结与展望
6.1 总结
在国家大力宣传节约能源和减少碳排放的背景下，回转式空气预热器作为火力发电机组中烟气余热回收设备，对烟气的余热进行回收利用，有效地减少了热力的损失。但因为其内部空间狭小，常常会出现堵灰的情况，导致设备无法正常运行，造成一定的经济损失。为监测其内部的运行状况，本文利用软测量的方法开发了一套回转式空气预热器内热力参数在线显示系统，该系统能够对回转式空气预热器内的积灰状况进行判断，进而指导操作人员进行吹灰操作，确保设备稳定高效地运行。本文的主要工作如下：
1）分析了回转式空气预热器主要结构，对设备的传热模型、阻力模型和漏风模型进行介绍，确定了回转式空气预热器得几何模型和数学模型。
（2）通过调研用户需求，确定 B/S 开发模式和 MVC 架构。运用 C++语言实现了回转式空气预热器性能计算程序的开发。程序开发过程中，根据数据来源和种类设计了 XML 数据库、SQL 数据库和 Redis 实时数据库。区别于传统数据库组织形式，本系统的 SQL 数据库的检索依赖于 XML 数据库。
（3）应用 Spring Boot 和 MyBatis 构成框架，运用 Java 、 HTML、CSS 和JavaScript 混合编程，采用 Echarts 插件，完成回转式空气预热器内热力参数在线显示系统开发。
（4）设计回转式空气预热器模拟运行系统，并在模拟运行系统上测试回转式空气预热器内热力参数在线显示系统。
参考文献（略）