孫 超，陳鴻偉，郭幸麗，秦長濤

（1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校 教務(wù)處，河北 滄州 061001；2.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071000）

1 背景

干式排渣是一種新型輸送和冷卻鍋爐爐渣的除渣方式，特點(diǎn)是節(jié)約水資源、便于灰渣的綜合利用和減少對環(huán)境的污染等。它的主要工作過程是：自然空氣在鍋爐爐膛負(fù)壓作用下，由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入排渣機(jī)內(nèi)與熱渣逆向流動換熱，熱渣被冷卻后排出，空氣加熱后進(jìn)入爐膛參與燃燒[1]。

冷卻爐渣用的空氣將由爐底進(jìn)入爐內(nèi)，勢必對爐內(nèi)的燃燒狀況及整個(gè)鍋爐運(yùn)行帶來一系列的影響。但關(guān)于這方面的文獻(xiàn)相對較少，錢力庚[2]以渣層為分界面把干式排渣機(jī)分為上下兩部分假定空氣溫度等于管道外殼溫度建立渣層傳熱方程；楊開敏等[3]利用fluent模擬干式排渣機(jī)三維空氣流動和傳熱模型分析了其內(nèi)部流動和傳熱特性。

采用CDF計(jì)算軟件ANSYS來計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，選定某600MW機(jī)組干式排渣設(shè)備的典型工況，對其設(shè)備內(nèi)空氣的流動特性進(jìn)行研究。

2 干式排渣設(shè)備計(jì)算區(qū)域及定解條件

2.1 物理模型

圖1 干式排渣設(shè)備計(jì)算區(qū)域

模擬對象是某電廠600MW機(jī)組干式排渣設(shè)備整體，如圖1所示，包括鋼帶、排渣口、渣井部分、主進(jìn)風(fēng)口。冷空氣由主風(fēng)口進(jìn)入排渣機(jī)后，沿著上層空間向爐膛底部流動，與鋼帶上的灰渣形成逆向?qū)α鲹Q熱，最后通過爐膛喉部進(jìn)入爐膛里。選取爐膛的喉部截面作為計(jì)算區(qū)域的出口邊界。

2.2 模型簡化與假設(shè)

在充分了解干排渣設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀況后，參照實(shí)際干排渣設(shè)備結(jié)構(gòu)，在較小影響排渣機(jī)內(nèi)部流動的前提下，結(jié)構(gòu)上作出適當(dāng)簡化，簡化后的局部結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 排渣機(jī)水平段及渣井

圖3 排渣機(jī)排渣口及主進(jìn)風(fēng)口

落在鋼帶上的渣塊的大小和形狀是不規(guī)則和隨機(jī)的，不能用簡單的平板來代替不規(guī)整的渣層。在本次模擬計(jì)算中，使用多孔介質(zhì)模型來近似處理渣層。

在CFD軟件中把多孔介質(zhì)模型結(jié)合模型區(qū)域所具有阻力的經(jīng)驗(yàn)公式被定義為“多孔”。事實(shí)上多孔介質(zhì)是在動量方程中具有了附加的動量損失而已，它對湍流的影響只是近似的[4]。

在建立多孔介質(zhì)模型的時(shí)候，考慮以下基本假設(shè)：1）多孔介質(zhì)材料的性質(zhì)和壓力是均勻且各向同性的，即孔隙率和絕對滲透率等參數(shù)維持不變；2）多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動的速度小，其動能和慣性的影響可不予考慮；3）固體相是一個(gè)固定的、不變形的骨架；4）流體始終充滿多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)。

2.3 網(wǎng)格劃分

對計(jì)算區(qū)域空間進(jìn)行離散化處理，由于計(jì)算域是由長方體的箱體和內(nèi)部鋼帶組成的復(fù)雜形體，通過對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格方法，全部生成六面體網(wǎng)格。在滿足網(wǎng)格質(zhì)量高（Equisize Skew＜0.4）的前提下，整個(gè)物理模型網(wǎng)格數(shù)目在70-80萬左右，為后面模擬的快速收斂和準(zhǔn)確性提供基礎(chǔ)。局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖如圖4和圖5。

圖4 排渣機(jī)頭部網(wǎng)格圖

圖5 排渣機(jī)水平段及渣井網(wǎng)格圖

2.4 邊界條件設(shè)定

數(shù)值模擬中采用的流動介質(zhì)為空氣，空氣的物理參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即：大氣溫度20℃，大氣壓力101325Pa，密度1.225kg／m3。進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件；出口采用壓力出口邊界條件；其它表面設(shè)為固壁邊界，采用無滑移邊界條件，有關(guān)湍流模型及其常數(shù)的選取詳見文獻(xiàn)[5]。

進(jìn)風(fēng)口空氣量計(jì)算依據(jù)是蘇聯(lián)1973年《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》。選用的煤種為機(jī)組校核煤種阜新煙煤，根據(jù)它的元素分析，爐膛出口過量空氣系數(shù)和燃煤量計(jì)算得到了鍋爐所需空氣量，再根據(jù)爐底漏風(fēng)率1%，計(jì)算出排渣機(jī)內(nèi)的空氣量，數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤種及其成分含量

表2 排渣機(jī)內(nèi)空氣量計(jì)算

2.5 湍流模型和控制方程

在設(shè)備中的煙氣運(yùn)動是不可壓縮定常流動。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，需要求解湍動能及其耗散方程。湍動能輸運(yùn)方程式通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到的[6]。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程為：

式中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb是用于浮力影響引起的湍動能的產(chǎn)生項(xiàng)，YM為可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響項(xiàng)，湍流粘性系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

模擬計(jì)算采用分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器求解三維連續(xù)性方程和雷諾平均N-S湍流控制方程，采用SIMPLE算法求解速度和壓力的耦合，壓力的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，其它各參數(shù)的離散均采用二階精度的迎風(fēng)格式。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來模擬近壁區(qū)的湍流流動，從而避免了在近壁區(qū)采用精細(xì)網(wǎng)格[7]。

3 模擬結(jié)果及分析

模擬工況是主風(fēng)口打開自然進(jìn)風(fēng)、側(cè)風(fēng)門全關(guān)的典型工況。根據(jù)簡化的結(jié)構(gòu)和計(jì)算得到的空氣量，對排渣機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到流場分布。由于爐膛與外界壓差的作用，空氣從主風(fēng)口吸進(jìn)箱體內(nèi)，與鋼帶上的灰渣進(jìn)行對流換熱后，通過爐膛喉部進(jìn)入爐膛內(nèi)。

由于整體表示流場分布圖比較亂，顯示不清晰，所以選取了z＝0.844截面（中心面）作為典型截面，這個(gè)截面上的速度矢量分布具有一定的代表性。圖6和圖7顯示的是在z＝0.844截面上排渣機(jī)水平段和渣井空間內(nèi)的空氣流動情況。如圖6和圖7所示，上層空間內(nèi)空氣流動速度較快，兩層鋼帶中間區(qū)域和排渣機(jī)底部的空氣流動緩慢，與實(shí)際情況基本符合。

圖6 水平段和渣井內(nèi)流動矢量圖

圖7 排渣機(jī)尾部流動矢量圖

如圖8所示，在轉(zhuǎn)折段，上層通道平均風(fēng)速為3.0m／s左右，在渣層附近，空氣流速下降明顯，這與邊界設(shè)置為多孔介質(zhì)邊界條件有關(guān)。排渣機(jī)中層空氣速度范圍在0.1～0.2m／s，下層的空氣速度范圍在0.3～0.4m／s，流場分布較為均勻。排渣機(jī)的尾部空間的速度在0.4～0.5m／s。三個(gè)渣井的進(jìn)風(fēng)量基本相同。

圖8 排渣機(jī)轉(zhuǎn)折段x＝1.5m截面流場分布圖

4 結(jié)論

干式排渣作為一種新型的鍋爐除渣方式，可以有效地改善傳統(tǒng)水力除渣系統(tǒng)需要大量水資源的問題，因而目前得到廣泛應(yīng)用。文中采用數(shù)值模擬的方法，得出了空氣在排渣機(jī)內(nèi)的流動情況。結(jié)果表明，在排渣機(jī)內(nèi)的上層空間，空氣的流動較快，可以有效地與鋼帶上的渣層對流換熱；兩層鋼帶中間區(qū)域和排渣機(jī)底部的空氣流動緩慢；各渣井內(nèi)的進(jìn)風(fēng)量基本相同。模擬結(jié)果與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況基本符合，為進(jìn)一步分析排渣機(jī)的傳熱特性研究提供了基礎(chǔ)。

[1]張召寶，陳濤.干式排渣系統(tǒng)簡介[J].華東電力，2003，31（4）：63-64.

[2]錢力庚.干式排渣設(shè)備換熱特性的理論研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].鍋爐技術(shù)，2003，34（10）：9-11.

[3]楊開敏，楊茉，田立君，等.鍋爐干式排渣機(jī)內(nèi)空氣流動和傳熱的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（11）：1930-1932.

[4]張東輝.多孔介質(zhì)擴(kuò)散、導(dǎo)熱、滲流分形模型的研究[D].南京：東南大學(xué)，2003.

[5]倪浩清.工程湍流流動、傳熱及傳質(zhì)的數(shù)值模擬[M].北京：中國水利水電出版社，1998.

[6]劉順隆.計(jì)算流體力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1997.

[7]王福軍.CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.