楊 美，寧仁杰，周云龍

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

超臨界鍋爐過熱器壁溫特性研究

楊 美，寧仁杰，周云龍

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

采用計(jì)算流體動力學(xué)方法，對600 MW超臨界四角切圓鍋爐的爐內(nèi)燃燒、傳熱以及煙氣流動進(jìn)行數(shù)值模擬，得到爐膛的煙溫?zé)熕俜植?。結(jié)合上述模擬結(jié)果以及熱偏差數(shù)值計(jì)算理論，對該鍋爐的過熱器管壁溫度進(jìn)行三維計(jì)算研究。通過計(jì)算得到了過熱器管壁溫的分布，找出了管壁溫度最高點(diǎn)的位置。研究表明：該方法便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的管壁溫度預(yù)測。

屛式過熱器；管壁溫度；熱偏差

過熱器是大型電站鍋爐設(shè)備中重要組成部件之一。由于熱偏差的存在，電廠鍋爐過熱器容易發(fā)生管壁超溫爆管，影響電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1-4]。張穎利[5]等人對方管內(nèi)流體與壁溫導(dǎo)熱耦合，采用Simpler算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；Pawel Ludowski[6]對鍋爐內(nèi)熱量交換建立模型，對于一側(cè)邊界條件已知而另一側(cè)邊界條件未知的問題，采用了正切法進(jìn)行處理；Ho Young Park[7]對末級過熱器超溫爆管現(xiàn)象進(jìn)行研究；呂太[8]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法對超超臨界墻式切圓鍋爐的爐內(nèi)燃料流動和燃燒進(jìn)行了研究。本文通過爐膛燃燒數(shù)值模擬得到爐膛整體溫度、速度分布，可以更準(zhǔn)確的獲取到計(jì)算中所需的數(shù)據(jù)，改善了數(shù)值計(jì)算方法長期以來依賴經(jīng)驗(yàn)公式選取參數(shù)的不可靠性，結(jié)果真實(shí)地反映了管壁傳熱情況。

1 爐膛燃燒數(shù)值模擬及結(jié)果分析

1.1 研究對象概況

研究對象為某廠SG-1910/25.4-M951型號鍋爐，設(shè)計(jì)煤種為神府煤。該鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式。24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

表2 神府煤成分分析表

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于在燃燒器區(qū)域，煙氣和燃料有強(qiáng)對流作用，并且涉及到劇烈的燃燒反應(yīng)，所以研究中對燃燒器區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。模型及網(wǎng)格劃分方式，如圖1所示；燃燒器區(qū)域網(wǎng)格的平面截圖，如圖2所示。

圖1 爐膛模型網(wǎng)格劃分圖

圖2 燃燒器區(qū)域網(wǎng)格劃分圖

本模擬中，氣相湍流采用k-ε模型，氣固兩相流采用顆粒軌道模型，輻射模型采用P-I輻射模型，燃燒選擇非預(yù)混燃燒模型，揮發(fā)分燃燒采用PDF模型，焦炭燃燒采用動力-擴(kuò)散表面反應(yīng)速率模型。燃燒煤種采用設(shè)計(jì)煤種神府煤，該煤成分分析見表2所示。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

鍋爐燃燒器區(qū)域某一橫截面的速度和溫度的分布圖像，如圖3、圖4所示。燃燒器噴嘴的四股射流，形成假象切圓。切圓中間速度較圓周處低，圓周處四股射流具有較強(qiáng)的剛性，帶動了整體煙氣場呈螺旋上升形態(tài)運(yùn)動。溫度場與速度場有著相類似的分布，切圓中心溫度低而圓周溫度高，最高值可以達(dá)到1 600 ℃。這是由于切圓外圍處于焦炭燃燒區(qū)域，其燃燒放出了大量熱，加熱了周圍氣體。

圖3 燃燒器區(qū)域截面速度分布

圖4 燃燒器區(qū)域截面溫度分布

鍋爐水平煙道截面速度和溫度分布圖，如圖5、圖6所示?？梢姡瑑煞鶊D的截面圖皆由距離爐膛出口0.5 m處截取。隨著煙氣在水平煙道的流動，煙氣速度沿程逐漸遞增。這是因?yàn)榻貓D位置靠近水平煙道的爐頂部，煙氣流從爐膛進(jìn)入水平煙道時(shí)，煙道頂部的煙氣因?yàn)橘N壁效應(yīng)，會逐漸被下方動能較大的煙氣帶動，因而會呈現(xiàn)速度沿流動方向逐漸增大的現(xiàn)象?？傮w上看，水平煙道的左側(cè)煙速要略高于右側(cè)煙速。在煙溫方面，爐膛的溫度場則呈現(xiàn)出了較大的溫度偏差，在過熱器后方同一垂直線上溫差甚至達(dá)到了100 ℃，造成了鍋爐管壁溫度超溫現(xiàn)象。

圖5 水平煙道截面速度分布

圖6 水平煙道截面溫度分布

圖7 爐膛縱剖面速度分布

圖8 爐膛縱剖面溫度分布

鍋爐豎直方向縱剖面上的速度和溫度分布圖，如圖7、圖8所示。為了下一步的計(jì)算方便，兩幅圖的縱剖面皆由距離爐膛左側(cè)墻壁4.8 m處截取。從速度分布圖情況上看，截面速度分布有較大的不均勻性，噴嘴處速度遠(yuǎn)大于其余的區(qū)域。在溫度分布上，可以看到爐膛火焰充滿度較好，燃燒器區(qū)域呈現(xiàn)出了典型的“馬鞍”溫度分布形態(tài)。隨著煙氣繼續(xù)向上流動，煙溫穩(wěn)步下降。

2 過熱器管壁溫度數(shù)值計(jì)算方法及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算思路及模型建立

傳統(tǒng)的壁溫計(jì)算方法，只能計(jì)算出換熱器的最高壁溫或者平均壁溫，并且計(jì)算過程中經(jīng)常把熱力、水力不均系數(shù)疊加在一起，這也往往是不符合實(shí)際情況的做法[9]。為了提高壁溫計(jì)算的準(zhǔn)確性以及獲取過熱器各管各處壁溫的詳盡分布，本文通過爐膛燃燒數(shù)值模擬得到爐膛的煙溫?zé)熕俜植?，利用該?shù)據(jù)來確定壁溫計(jì)算公式中的重要參數(shù)。將過熱器的單根管子由工質(zhì)入口開始進(jìn)行分段，至出口共分為相連的20個(gè)小管段，計(jì)算過熱器管內(nèi)工質(zhì)流量分布不均系數(shù)。最后，利用壁溫計(jì)算公式得出管壁各處的溫度[10]。

2.2 過熱器壁溫計(jì)算結(jié)果

在研究中，選取過熱器左起第8排管屏作為研究對象。該扇屏處于水平煙道距離左墻三分之一處位置，距離左墻4.8 m，正好處在煙溫?zé)熕贉囟茸罡摺⒆兓顒×业奈恢?，具有一定的代表性。在上文?shù)值模擬的煙溫?zé)熕賵鼋Y(jié)果中，采集出其管壁周圍的煙溫?zé)熕贁?shù)值作為計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。選取其屏中最外圍管圈(第1根管)壁溫、中間管圈(從外數(shù)第11根管)壁溫以及最內(nèi)側(cè)管圈(第20根管)壁溫作為統(tǒng)計(jì)對象得到溫度曲線，如圖9所示?？梢钥闯觯^熱器管壁溫度沿著工質(zhì)流動方向，呈現(xiàn)出先增高后降低再增高的趨勢。

圖9 具有代表性的三根管圈壁溫沿長度方向的分布曲線

圖10 左起第8片屏最外管圈管壁溫度與管內(nèi)介質(zhì)溫度曲線圖

最高點(diǎn)位于管圈中部，也就是管道底部右轉(zhuǎn)角和左轉(zhuǎn)角之間的水平段部分。該段不但溫度最高，升溫也是最快的，原因是該處受到的下爐膛的高溫?zé)煔鈴?qiáng)烈的熱輻射。經(jīng)過水平段后的豎直管道，管壁溫度迅速下降，因?yàn)榇颂幑鼙谑艿较聽t膛的輻射角系數(shù)大幅度減小，管壁吸熱也隨之大幅度減小。在第16管段之后管壁溫度繼續(xù)上升，因?yàn)榇颂幑軆?nèi)工質(zhì)溫度較高，即便煙溫不高，但溫差較小故熱流量較小，管壁放熱變小，導(dǎo)致此處壁溫較高。由圖9中還可以看出，管屏外圈和內(nèi)圈的溫度呈現(xiàn)完全不同的走勢。其中，最外管圈有著較大的溫度變化幅值，隨著管圈位置越來越靠近內(nèi)部，溫度幅值變化越來越小。

左起第8片屏最外管圈與其管內(nèi)介質(zhì)溫度對比曲線圖，如圖10所示。管內(nèi)工質(zhì)溫度穩(wěn)定上升，全程沒有降溫的趨勢。管內(nèi)工質(zhì)溫度上升最快處為管外壁溫最高部位，即管圈水平段。溫度高則工質(zhì)溫度和管壁溫度的溫差大，熱流密度大，熱流密度決定了工質(zhì)的傳熱，而該處溫度梯度較大。

3 結(jié) 論

在額定工況下，對600 MW鍋爐爐膛的煙溫?zé)熕俜植夹螒B(tài)進(jìn)行了模擬。同屏管排的不同管圈之間的溫度沿長度方向的分布有較大的差異，外圈管和內(nèi)圈管主要由于受到爐膛的輻射角系數(shù)不同，在溫度分布上和溫度變化趨勢上都呈現(xiàn)不同；外圈管承受著最高的溫度以及最大的溫度變化幅值，管圈水平段部分的壁溫較高；以左數(shù)第8屏為例進(jìn)行計(jì)算研究得知，該屏最外管圈第11管段(水平段)區(qū)域壁溫和工質(zhì)的溫差最大，達(dá)到90 ℃；溫差最小處為出口處，僅有50 ℃。

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Study on the Temperature Characteristics of Superheater Tube Wall in Ultra Supercritical Boiler

YANG Mei，NING Ren-jie，ZHOU Yun-long

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Numerical simulation for combustion in furnace，heat transfer and the flue gas flow on a 600MW supercritical tangential boiler was carried out by using the CFD method.Gas temperature and gas velocity distribution were obtained.Combined with the simulation results and the numerical calculation theory，we did the thermal deviation of the boiler superheater tube wall temperature for 3 dimensional computing research.Finally we’ve got the superheater tube wall temperature distribution，and found out the position where the tube wall temperature is highest.Based on the method，temperature can be easily and accurately acquired by computational program.

Superheater；Tube wall temperature；Teat deviation

2016-04-12

楊 美(1988-)，女，貴州省銅仁市人，東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院助教，碩士，主要研究方向：氣液兩相流流動及傳熱.

1005-2992(2016)06-0055-05

TK223

A