孫 超，陳鴻偉，郭幸麗，秦長濤

（1.河北工程技術(shù)高等?？茖W校 教務處，河北 滄州 061001；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，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壓作用下，由進風口進入排渣機內(nèi)與熱渣逆向流動換熱，熱渣被冷卻后排出，空氣加熱后進入爐膛參與燃燒[1]。

冷卻爐渣用的空氣將由爐底進入爐內(nèi)，勢必對爐內(nèi)的燃燒狀況及整個鍋爐運行帶來一系列的影響。但關(guān)于這方面的文獻相對較少，錢力庚[2]以渣層為分界面把干式排渣機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計算軟件ANSYS來計算流體力學（CFD）與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，選定某600MW機組干式排渣設備的典型工況，對其設備內(nèi)空氣的流動特性進行研究。

2 干式排渣設備計算區(qū)域及定解條件

2.1 物理模型

圖1 干式排渣設備計算區(qū)域

模擬對象是某電廠600MW機組干式排渣設備整體，如圖1所示，包括鋼帶、排渣口、渣井部分、主進風口。冷空氣由主風口進入排渣機后，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入爐膛里。選取爐膛的喉部截面作為計算區(qū)域的出口邊界。

2.2 模型簡化與假設

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

圖2 排渣機水平段及渣井

圖3 排渣機排渣口及主進風口

落在鋼帶上的渣塊的大小和形狀是不規(guī)則和隨機的，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)驗公式被定義為“多孔”。事實上多孔介質(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)模型的時候，考慮以下基本假設：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

對計算區(qū)域空間進行離散化處理，由于計算域是由長方體的箱體和內(nèi)部鋼帶組成的復雜形體，通過對實際結(jié)構(gòu)進行合理簡化，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確性提供基礎。局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖如圖4和圖5。

圖4 排渣機頭部網(wǎng)格圖

圖5 排渣機水平段及渣井網(wǎng)格圖

2.4 邊界條件設定

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)為標準狀態(tài)，即：大氣溫度20℃，大氣壓力101325Pa，密度1.225kg／m3。進口采用速度進口邊界條件；出口采用壓力出口邊界條件；其它表面設為固壁邊界，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[5]。

進風口空氣量計算依據(jù)是蘇聯(lián)1973年《鍋爐機組熱力計算標準方法》。選用的煤種為機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)和燃煤量計算得到了鍋爐所需空氣量，再根據(jù)爐底漏風率1%，計算出排渣機內(nèi)的空氣量，數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤種及其成分含量

表2 排渣機內(nèi)空氣量計算

2.5 湍流模型和控制方程

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

標準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，Gb是用于浮力影響引起的湍動能的產(chǎn)生項，YM為可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響項，湍流粘性系數(shù)為經(jīng)驗常數(shù)。

模擬計算采用分離隱式穩(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，壓力的離散采用標準格式，其它各參數(shù)的離散均采用二階精度的迎風格式。采用標準壁面函數(shù)來模擬近壁區(qū)的湍流流動，從而避免了在近壁區(qū)采用精細網(wǎng)格[7]。

3 模擬結(jié)果及分析

模擬工況是主風口打開自然進風、側(cè)風門全關(guān)的典型工況。根據(jù)簡化的結(jié)構(gòu)和計算得到的空氣量，對排渣機進行數(shù)值模擬，得到流場分布。由于爐膛與外界壓差的作用，空氣從主風口吸進箱體內(nèi)，與鋼帶上的灰渣進行對流換熱后，通過爐膛喉部進入爐膛內(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)域和排渣機底部的空氣流動緩慢，與實際情況基本符合。

圖6 水平段和渣井內(nèi)流動矢量圖

圖7 排渣機尾部流動矢量圖

如圖8所示，在轉(zhuǎn)折段，上層通道平均風速為3.0m／s左右，在渣層附近，空氣流速下降明顯，這與邊界設置為多孔介質(zhì)邊界條件有關(guān)。排渣機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。排渣機的尾部空間的速度在0.4～0.5m／s。三個渣井的進風量基本相同。

圖8 排渣機轉(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用。文中采用數(shù)值模擬的方法，得出了空氣在排渣機內(nèi)的流動情況。結(jié)果表明，在排渣機內(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)域和排渣機底部的空氣流動緩慢；各渣井內(nèi)的進風量基本相同。模擬結(jié)果與設備實際運行情況基本符合，為進一步分析排渣機的傳熱特性研究提供了基礎。

[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.干式排渣設備換熱特性的理論研究及實驗驗證[J].鍋爐技術(shù)，2003，34（10）：9-11.

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

[4]張東輝.多孔介質(zhì)擴散、導熱、滲流分形模型的研究[D].南京：東南大學，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.計算流體力學[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1997.

[7]王福軍.CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.