盧洪波，辛 東，宋志宇

(1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130021)

300MW煤粉鍋爐省煤器蛇形管流場及積灰特性分析

盧洪波1，辛 東2，宋志宇2

(1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130021)

對某機(jī)組煤粉鍋爐的省煤器蛇形彎管及相連管道處積灰進(jìn)行冷態(tài)數(shù)值模擬。利用Fluent軟件對顆粒相的計(jì)算采用單向耦合模型，忽略固相對氣相的作用，在不同進(jìn)口速度和不同節(jié)距條件下，得到繞流流場。結(jié)果表明：在平行管處，下四根管子積灰嚴(yán)重，在彎管處，上四根彎頭積灰嚴(yán)重，下四根彎頭磨損嚴(yán)重；隨來流速度增大，在平行管處，速度曲線變陡，回流區(qū)范圍減小，在彎管處，各點(diǎn)速度大小增加，方向不變；隨節(jié)距增大，平行管處積灰變化復(fù)雜，彎管處擾動增強(qiáng)。

省煤器；積灰；氣固兩相流；數(shù)值模擬

在現(xiàn)代鍋爐中，各種型號的電站鍋爐為了減少昂貴的蒸發(fā)受熱面，采用廉價的省煤器受熱面代替。不少火力發(fā)電廠燃用劣質(zhì)煤，使煙氣中含灰量通常較高，容易在省煤器管道形成積灰。積灰不僅影響電廠的熱經(jīng)濟(jì)性，而且影響省煤器的安全運(yùn)行[1-3]。因此，對省煤器積灰的研究至關(guān)重要。目前對氣固兩相流繞流柱體的研究主要集中在簡單的方柱和圓柱上，如劉洪濤[4]對直方管內(nèi)氣固兩相流進(jìn)行研究，得到了方管內(nèi)速度分布圖和沉積速率。陳懿等人[5]對圓柱繞流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，得到了顆粒在圓柱尾流中擴(kuò)散的運(yùn)動機(jī)理及影響因素。袁曉豆等人[6]對單個H型翅片管進(jìn)行了研究，得到了迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的速度分布及影響因素。王聰?shù)热薣7]利用雙拉格朗日模型模擬了氣固兩相流雙圓柱繞流，分析顆粒分布特性與Stokes數(shù)的影響。陳申等人[8]通過積灰試驗(yàn)臺模擬余熱鍋爐的煙氣，分析煙氣溫度、流速和飛灰濃度等對飛灰積灰過程的影響，且與本文模擬結(jié)論相互印證。對氣固兩相流繞流蛇形管彎管及相連管道的研究鮮有報(bào)道，基于Fluent軟件，本研究模擬了冷態(tài)下的流場，以分析易積灰部位及影響積灰的因素，以期為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和建議。

1 物理模型與方案選取

1.1 物理模型

以某300 MW機(jī)組省煤器為研究對象，選取部分彎管進(jìn)行研究。省煤器采用光管蛇形管，管子規(guī)格為Φ51×6 mm，材料SA-210C，順列布置，橫向節(jié)距為135 mm，縱向節(jié)距為102 mm，氣固兩相流沿Y軸負(fù)向流動。為便于研究，定義第一排管與第二排管之間空隙為管間1，第二排管與第三排管之間空隙為管間2，以此類推。

利用Gambit軟件對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)、出口部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，平行管部分先對面進(jìn)行劃分，接著對體進(jìn)行Cooper，彎管部分則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且對管子表面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格數(shù)目約70萬，對其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，其無關(guān)性良好，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

1.2 湍流模型和邊界條件

假定省煤器內(nèi)的兩相流動為三維、黏性、定常、不可壓縮湍流流動。由于省煤器煙氣中煙灰體積分?jǐn)?shù)小于10%，故采用Eulerian-Lagrangian模型，湍流模型采用Realizable k-ε模型[9]。方程離散相采用二階迎風(fēng)格式，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法[10]。

圖1 模型三維圖

表1 不同工況下物理參數(shù)

邊界條件：入口采用速度入口邊界條件，出口邊界條件選取出氣口邊界條件，壁面為無滑移壁面邊界條件。入口煙氣速度定義為9 m/s，顆粒隨煙氣流動，速度一致。由于流道的對稱性，流道的前后及平行管側(cè)采用對稱邊界條件，彎頭側(cè)采用壁面邊界條件，模型內(nèi)部各個面采用內(nèi)部邊界條件。

1.3 方案選取

為了分析省煤器積灰的影響因素，本文從進(jìn)口速度和管間節(jié)距進(jìn)行研究。省煤器的設(shè)計(jì)流速一般為7 m/s-11 m/s，本文以9 m/s為基礎(chǔ)，同時選取7 m/s和11 m/s為對比工況；節(jié)距方面則選取橫向節(jié)距為102 mm，縱向節(jié)距為102 mm和橫向節(jié)距為135 mm，縱向節(jié)距為135 mm。為對比工況，具體工況各項(xiàng)參數(shù)見表1。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同來流速度對積灰的影響

2.1.1 對平行管的影響

當(dāng)煙氣繞圓柱流動時，光管上的邊界層在某一位置開始脫離物面，并在光管尾部出現(xiàn)與主流方向相反的回流，回流卷吸顆粒在光管尾部積灰，由于蛇形彎管的影響，平行管與彎管連接部位的徑向速度如圖2。

圖2為工況1-工況3情況下各管間徑向速度分布圖。由于管子尾部有對稱蝸旋，故管間速度為凸型。從圖中可以明顯看出，管間1到管間4彎曲度高于管間5到管間7，表明管間1到管間4尾部中間部位具有較高的速度，而管間5到管間7則速度較低。煙氣卷吸顆粒，在各種力的作用下沉積于光管尾部，在管間5到管間7回流區(qū)明顯減小，積灰減輕。分析原因是因?yàn)槭艿絹碜陨咝螐澒軝M向氣流的影響，使管間5到管間7尾部煙氣受到?jīng)_刷，改變原速度方向，致使徑向速度減小。

管間1到管間2隨著來流速度的增大，回流區(qū)中間速度并不受影響，而兩側(cè)則減小，使回流區(qū)范圍減小。分析原因是因?yàn)閬砹魉俣鹊脑龃笫构鼙谏线吔鐚臃蛛x點(diǎn)向后移。管間3到管間4隨著來流速度的增大，速度曲線彎曲度越大，光管尾部中間速度增大，兩側(cè)速度減小，使得卷吸顆粒能力增大，使顆粒更易沉積。管間5到管間7則隨著來流速度的增大，速度曲線彎曲度變大，但由于逆向最大速度過小，使逆向速度區(qū)間變小，積灰減輕。

圖2 不同來流速度各管間速度分布圖

圖3 彎管部分速度分布圖

2.1.2 對彎管的影響

工況1彎管部分的速度分布如圖3所示，來流速度增大時，各點(diǎn)速度方向不變，大小增加。當(dāng)煙氣流經(jīng)彎管時，彎管之間空間變大，為了滿足不可壓縮流體的連續(xù)性要求，煙氣勢必會產(chǎn)生一個X向(管子軸向)速度；管間煙氣沿管子軸向流動到彎頭時，曲面邊界層分離現(xiàn)象出現(xiàn)，某一位置出現(xiàn)小片回流區(qū)域；上三根管子的彎頭部位，由于煙氣縱向流動和管子的幾何結(jié)構(gòu)，在彎頭內(nèi)側(cè)容易積灰，下三根管則由于高速煙氣的沖刷不易積灰。

圖4為工況1下管間5到管間7彎頭處速度矢量圖，煙氣經(jīng)過縱向加速，到達(dá)彎頭時具有較高速度，對彎頭內(nèi)側(cè)進(jìn)行沖刷，顆粒碰撞壁面，對其造成磨損，磨損量與速度成正比。管間5煙氣速度較低，受到離心力小，且水平距離短，故速度方向?yàn)楣茏虞S向，而管間6和管間7高速煙氣先對光管上側(cè)沖刷，在離心力作用下，煙氣方向改變，對光管下側(cè)沖刷，積灰減輕，磨損增大。

圖4 彎頭速度矢量圖

2.2 不同節(jié)距對積灰的影響

2.2.1 對平行管的影響

圖5 不同節(jié)距管間速度分布圖

圖5為工況2、工況4和工況5下各管間徑向速度分布圖。工況2與工況4相比，在管間1和管間2時工況4的速度均大于工況2，曲線彎曲度比較大，故工況4情況下管子上部不易積灰；而工況5則趨于平緩，且回流區(qū)域較大，顆粒被卷吸后沿徑向運(yùn)動，動能較低，碰撞后沉積，積灰嚴(yán)重。工況2和工況5在管間3曲線相似，工況5則沒有呈現(xiàn)出凸型，表明回流區(qū)的對稱蝸旋發(fā)生變形。管間4在工況4情況下有較大的回流區(qū)，徑向速度小，容易積灰，而工況5則呈現(xiàn)出較小的回流區(qū)和較低的速度。工況4和工況5在管間5均沒有回流現(xiàn)象，管子正面積灰較嚴(yán)重。而在管間6和管間7，工況4具有較大的回流范圍，工況5則不出現(xiàn)回流，且具有較高的速度對管子迎風(fēng)面進(jìn)行沖刷，使之磨損加重。

圖6 不同節(jié)距彎頭湍強(qiáng)分布圖

2.2.2 對彎管的影響

煙氣流過蛇形彎管時，經(jīng)過縱向的加速，到達(dá)下部彎管時具有較高的速度，顆粒對壁面碰撞，但不沉積，故下部彎管磨損嚴(yán)重，積灰較輕，積灰主要發(fā)生在上部彎管。

隨湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)，壁面積灰減輕，分析原因是因?yàn)橥膹?qiáng)的增大致使氣流的脈動速度得到增大，從而使顆粒的湍流擴(kuò)散作用得到了增強(qiáng)，致使一部分本應(yīng)該與壁面碰撞沉積的顆粒受到湍流脈動的影響，反而遠(yuǎn)離壁面，碰撞率的降低致使積灰得到減輕。

工況2、工況4和工況5蛇形彎管上部湍強(qiáng)，如圖6所示。工況2和工況4相比，各個彎頭之間的湍強(qiáng)均較低。這是因?yàn)闄M向節(jié)距的減小，使管子橫向截面面積減小，致使煙氣橫掠管壁的速度得到了增大，煙氣不易被卷入彎管內(nèi)進(jìn)行擾動。工況4與工況5相比，各個彎頭之間的湍強(qiáng)較低，而工況4湍強(qiáng)分布均勻，工況5沿流動方向不均程度增大，彎頭外側(cè)湍強(qiáng)高，內(nèi)側(cè)湍強(qiáng)低。這是因?yàn)榭v向節(jié)距的增大，使原先不能進(jìn)入彎頭之間進(jìn)行擾動的煙氣得以進(jìn)入進(jìn)行擾動，而工況5湍強(qiáng)的不均勻是節(jié)距的增大使煙氣更能響應(yīng)重力的作用效果。

3 結(jié) 語

省煤器煙氣中灰熔點(diǎn)較低已凝固成固體顆粒，積灰為松散灰。本文運(yùn)用模擬軟件對省煤器積灰因素進(jìn)行模擬，在忽略溫度影響前提下得出一些具有參考價值的結(jié)論。

(1)在平行管處，光管5到光管7積灰大于光管1到光管4。在彎管處，上四個彎頭積灰大于下四個彎頭，且積灰主要發(fā)生在彎頭內(nèi)側(cè)與外側(cè)的邊界層分離點(diǎn)處，而下四個彎頭磨損嚴(yán)重，集中在彎頭內(nèi)側(cè)和與平行管相接處。

(2)在平行管處，隨來流速度減小，速度曲線趨于平緩，最大速度基本不變，使回流區(qū)范圍增大，卷吸顆粒能力上升，積灰增大。在彎管處，隨來流速度增大，各點(diǎn)速度大小增大，方向不變。

(3)在平行管處，隨橫向截距的增大，管間1和管間2速度減小，積灰加大，管間3到管間5最大速度增大，回流得到加強(qiáng)，而管間6和管間7速度稍有降低；隨縱向節(jié)距增大，管間1和管間2速度減小，曲線趨于平緩，管間6和管間7則沿?zé)煔饬鲃臃较蛩俣仍龃?，磨損加重。在彎管處，隨節(jié)距的增大，擾動明顯增強(qiáng)，積灰減輕。

[1] 丁虹，何雁飛，陳增宏.省煤器積灰原因分析及改進(jìn)措施[J].工業(yè)鍋爐，2012，131(1)：30-34.

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Analysis of Flow Distribution and Ash Deposition Property on

Serpentuator in Economizer of 300 MW Pulverized Coal Bolier

Lu Hongbo1，Xin Dong1,Song Zhiyu2

(1.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Jilin Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Changchun Jilin 130021)

In order to assess the ash deposition on the serpentine and connected pipe of economizer in a 300MW pulverized coal bolier，a cold numerical simulation was carried out.The unidirectional coupling model was used to solve the gas paticle flow by ingoring the influence of the solid phase on the gas phase.The flow field was obtained and analyzed under the condition of given different inlet velocity and pitch.The results showed that the ash deposition about the four pipe on the bottom was serious in the parallel tubes.In the serpentine，the ash deposition about the four elbow on the top was serious and the abrasion was focused on the four elbow on the bottom.With the increase of flow velocity in the parallel tubes，speed curve steepened，and reflux zone decreased.At various points in the the serpentine，the velocity increased and the direction was constant.With the increase of pitch，the ash deposition on the parallel tubes was complex and the disturbance of fluid increased in the serpentine.

Economizer；Ash deposition；Gas-solid flow；Numerical simulation

2016-11-12

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(20110409)

盧洪波(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：電站鍋爐節(jié)能技術(shù)、高效清潔燃燒技術(shù).

1005-2992(2017)01-0034-06

TK223

A

電子郵箱： luhongbo129@163.com(盧洪波)；wuzhixindong@163.com(辛東)；472478435@qq.com(宋志宇)