【摘 要】利用FLUENT模擬了省煤器順列管束間煙氣的流動及粒子對管束的磨損，得出了管束間煙氣流動特性，管束磨損嚴(yán)重位置及原因，為電廠省煤器管束的布置和防磨提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】省煤器 磨損 數(shù)值模擬

一、前言

本文利用FLUENT軟件應(yīng)用k-ε雙方程模型模擬省煤器管束間煙氣的流動，用拉格朗日方法研究管束間顆粒的運動，并通過顆粒碰撞反彈恢復(fù)比考慮顆粒與壁面的碰撞反彈，利用FLUENT中的磨損該模型研究了顆粒流速、入射角度、壁面材料硬度及顆粒尺寸等參數(shù)對管壁磨損的影響，得到省煤器管壁的磨損特性，得出平均磨損速率和最大磨損速率沿管排分布特性，對省煤器管排的布置和減小磨損有著重要的意義。

二、研究對象

本文以某300MW煤粉鍋爐的省煤器為研究對象，分析省煤器中煙氣的流動、煙氣中飛灰顆粒的運動及省煤器受熱面的磨損。煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如下[1]：

常規(guī)空氣燃燒下，過量空氣系數(shù)取1.27。在改變結(jié)構(gòu)時增壓富氧燃燒工況下，省煤器尺寸有所改變，因此，在同樣的煙道截面積下，煙氣中飛灰顆粒質(zhì)量流量也發(fā)生了變化。省煤器為順列管束，管外徑取m，管壁厚m，省煤器所用鋼材為SA-210C。省煤器進(jìn)口煙溫均取450℃，煙氣中飛灰顆粒密度取2000kg/m3，顆粒平均粒徑為70μm。各工況下模擬參數(shù)：橫向節(jié)距的管徑比為2.75，縱向節(jié)距的管徑比為1.75，煙氣密度為0.51kg/m3，煙氣粘度為32.01μPa·s，入口煙氣流速為7.38 m/s，顆粒質(zhì)量流量為0.029 kg/s，斯托克斯數(shù)St為2.46。

三、物理模型

取省煤器中橫向6排，縱向10排的順列管束，如圖1所示。

含灰氣流的磨損是一個復(fù)雜的過程，它包括許多復(fù)雜的現(xiàn)象，比如：氣體-顆粒、顆粒-顆粒和氣體-顆粒-壁面的相互作用。為了給工程應(yīng)用提供一個合理的參考，本文對所計算模型做了一些簡化假設(shè)。

四、數(shù)值模擬結(jié)果分析

（一）連續(xù)相流場

通過以上不同燃燒工況下的速度矢量圖對比可見，管間最大煙氣流速達(dá)到9.92m/s，上下兩排管之間的煙氣流速較小連續(xù)相的流動狀態(tài)直接決定著離散相的流態(tài)[2]，從而影響磨損量。飛灰顆粒受到煙氣拖曳力作用，因此，顆粒最大速度分布很大程度上決定于煙氣最大流速位置。

（二）顆粒相運動狀態(tài)

管束間顆粒流速分布如下圖2所示：

由以上各工況下顆粒流速分布可見，在靠近進(jìn)口的幾排管附近，顆粒的流速分布比較均勻，沿著煙氣流動方向，顆粒的流速分布變得不均勻，這是由于在后面的管排上，顆粒的碰撞次數(shù)增多，運動也更復(fù)雜。

由圖可見，對于第一排管，顆粒與壁面碰撞時入射角主要分布在0-45度，由磨損機(jī)理可知，此時塑性變形為主要磨損方式，而對于第一排以后的管排，大部分顆粒與壁面碰撞時入射角在60-90度之間，此時剪切磨損為主要磨損方式[3]。

圖1 受熱面管束布置 圖2顆粒流速分布圖

常壓空氣燃燒工況下，由于煙氣流速大，顆粒的流速和Stokes數(shù)也較大，而且煙氣密度小，煙氣攜帶能力差，顆粒跟隨能力弱，顆粒撞擊壁面后受到的約束小。

（三）磨損位置對比

顆粒對第一排管的撞擊最多，該排管束的磨損也最嚴(yán)重，對于第一排以后的管排，撞擊和磨損較小。圖中顏色較淺區(qū)域為最大磨損發(fā)生位置，即最易泄露區(qū)。常壓空氣燃燒下，顆粒跟隨性差，這使得顆粒更容易穿過邊界層撞擊第一排管，撞擊后的顆粒動能減少，對后排管的撞擊磨損能力減弱。

（四）不同管排磨損量對比

此處考慮單位時間單位面積上壁面材料的磨損量（kg/（m2﹒s）），各管排平均磨損量是指各管排在管壁面上磨損量的平均值，最大磨損量為最大磨損位置處的磨損量。

由以上兩圖可見，常壓空氣燃燒工況下，第一排管的平均磨損量遠(yuǎn)大于其余管排，達(dá)到其余管排平均磨損量的十幾倍，其余管排除了第二排管磨損量較低外自第三排管后趨于平穩(wěn)，這是由流體及顆粒運動特性決定的。

五、結(jié)束語

（一）通過粒子流速分布得到了管束間煙氣和顆粒的流動及磨損特性。

（二）模擬出不同管排磨損的位置，得出第一排管束的平均磨損量遠(yuǎn)大于其余管排，甚至能夠達(dá)到其它管排平均磨損量的十幾倍，可以根據(jù)磨損位置與磨損量在相應(yīng)的位置采取防磨措施。

本文能夠為省煤器的安裝、安全運行與防磨裝置的安裝提供理論依據(jù)，電廠省煤器實際防磨裝置安裝位置與本文模擬結(jié)果基本相同。

參考文獻(xiàn)：

[1]周菊華.電廠鍋爐[M].北京：中國電力出版社，2004

[2]劉洪濤.氣固兩相流中微細(xì)顆粒沉積與擴(kuò)散特性的數(shù)值研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[3]岑可法、樊建人、池作和等.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理和計算[M].北京：科學(xué)出版社，1994