楊美聰，李中存，楊軍寶

(皖能銅陵發(fā)電有限公司，安徽 銅陵 244012)

0 引言

百萬(wàn)超超臨界塔式鍋爐低溫區(qū)域受熱面U型彎頭、穿墻管在運(yùn)行中極易產(chǎn)生磨損，嚴(yán)重時(shí)易產(chǎn)生鍋爐爆管等惡性事故。本文通過(guò)總結(jié)檢修經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)調(diào)研，對(duì)百萬(wàn)千瓦機(jī)組鍋爐低溫區(qū)域受熱面U型彎頭提出退臺(tái)布置優(yōu)化，利用CFD數(shù)值模擬對(duì)鍋爐受熱面進(jìn)行研究和優(yōu)化。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化受熱面布置方式、適當(dāng)位置增設(shè)阻流板及防磨護(hù)瓦，全面提高了機(jī)組的安全運(yùn)行性能，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值[1-3]。

1 工程介紹

皖能銅陵發(fā)電有限公司現(xiàn)裝有兩臺(tái)1 000 MW級(jí)超超臨界機(jī)組，鍋爐采用的變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，采用一次中間再熱，單爐膛單切圓燃燒，平衡通風(fēng)，露天布置，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架，全懸吊結(jié)構(gòu)塔式爐。鍋爐爐膛寬度21.48 m，深度21.48 m，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。爐膛上部依次布置有一級(jí)過(guò)熱器、三級(jí)過(guò)熱器、二級(jí)再熱器、二級(jí)過(guò)熱器、一級(jí)再熱器、省煤器。

一級(jí)再熱器布置在爐標(biāo)高92.95～99.98 m處，受熱面由178×8片屏組成，管排橫向節(jié)距120 mm、縱向節(jié)距95 mm，受熱面U型彎頭管中心線距前后墻水冷壁管排間距150 mm，煙氣平均流速BMCR工況9.3 m/s、THA工況6.0 m/s。

省煤器布置在爐標(biāo)高99.86～107.38 m處，受熱面由178×8片屏組成，管排橫向節(jié)距120 mm、縱向節(jié)距80 mm，受熱面U型彎頭管中心線距前后墻水冷壁管排間距120 mm。省煤器進(jìn)出口集箱穿墻管加裝長(zhǎng)度為60 mm套管，套管深入爐內(nèi)43 mm，煙氣平均流速BMCR工況6.6 m/s、THA工況6.0 m/s。一級(jí)再熱器、省煤器受熱面布置見圖1。

鍋爐一級(jí)再熱器進(jìn)口穿墻管泄漏，見圖2，泄漏蒸汽又將附近一級(jí)再熱器管屏和水冷壁管吹損，停爐后檢查發(fā)現(xiàn)除首爆泄漏管外，其余一級(jí)再熱器進(jìn)口穿墻管均磨損嚴(yán)重。

省煤器進(jìn)口穿墻管兩側(cè)磨損，經(jīng)測(cè)厚在5.0 mm以下有17處(省煤器原始壁厚為6.5 mm，測(cè)厚最低值為2.8 mm)，磨損嚴(yán)重部位見圖3紅圈標(biāo)識(shí)。

2 磨損原因分析

鍋爐燃燒設(shè)計(jì)煤種收到基灰分29.99%，飛灰中SiO2含量為56.46%、Al2O3含量為34.53%，這兩種物質(zhì)具有相當(dāng)高的硬度。一級(jí)再熱器及省煤器布置在塔式鍋爐上部區(qū)域，該區(qū)域煙溫較低，飛灰顆粒硬度較大，攜帶有飛灰顆粒和燃燒不完全的燃料顆粒的煙氣不斷沖刷一級(jí)再熱器、省煤器進(jìn)出口穿墻管和U型彎頭，形成泄漏和磨損。而一級(jí)再熱器、省煤器進(jìn)出口穿墻管、U型彎頭等處檢修空間狹窄，很多區(qū)域開天窗后也無(wú)法全面檢測(cè)，極可能留下隱患死角。前三次檢修采取了對(duì)磨損超標(biāo)的管子進(jìn)行更換、加裝防磨護(hù)瓦(護(hù)瓦做噴涂處理)、阻流板等防范措施，但仍不能根本解決受熱面磨損減薄問(wèn)題。更換管子及加裝防磨護(hù)瓦需對(duì)后墻水冷壁開天窗，換管及加裝防磨護(hù)瓦十分困難，施工工作量大，檢修成本高，且檢修質(zhì)量很難保證。例如，2012年一級(jí)再熱器進(jìn)口穿墻管檢修期間，為更換缺陷管，不得不在鍋爐后墻、左右側(cè)墻水冷壁處開天窗(后墻的178根和兩側(cè)的16根水冷壁管)，焊口總數(shù)達(dá)到1000多道。

3 CFD技術(shù)

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)是當(dāng)代發(fā)展迅速的一門學(xué)科，它著重研究運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)解決流體力學(xué)問(wèn)題的各類數(shù)值計(jì)算方法。

Navier-Stokes 方程從理論上概括了自然界的一切流體流動(dòng)現(xiàn)象，然而工程實(shí)際中絕大多數(shù)流體力學(xué)問(wèn)題是高度非線性的，對(duì)于大多數(shù)體系，通過(guò)求解此微分方程獲得流體力學(xué)的解析解是不可能的。隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，人們?cè)噲D用數(shù)值方法直接求解各類控制方程和邊界條件來(lái)解決具有強(qiáng)烈非線性的大量流動(dòng)現(xiàn)象，工業(yè)界也要求采用數(shù)值模擬手段來(lái)解決各類設(shè)計(jì)和計(jì)算問(wèn)題，從而形成并發(fā)展了計(jì)算流體力學(xué)這一學(xué)科分支。70 年代末期，化工開始引入計(jì)算流體力學(xué)，早期僅限于研究單相流的流動(dòng)過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)的推廣、軟硬件的發(fā)展、計(jì)算方法的發(fā)展、計(jì)算理論的不斷完善及對(duì)化工過(guò)程不斷的深入研究，CFD 現(xiàn)已能對(duì)復(fù)雜的流動(dòng)體系進(jìn)行描述。尤其近十幾年來(lái)，基于數(shù)值計(jì)算的計(jì)算流體力學(xué)已逐漸成為化工研究與設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力的輔助工具。CFD 包含了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)等多種學(xué)科的知識(shí)，可以提供建立流體流動(dòng)模型的方式和方法。

目前 CFD 能夠分析與研究在各種復(fù)雜幾何形狀的空間(裝置)內(nèi)、外發(fā)生的下列工程問(wèn)題：

1)氣－固、液－固、氣－液、液－液等多相流的流體流動(dòng)(增濕塔、氣力輸送等)；

2)多孔介質(zhì)流；

3)化工反應(yīng)流；

4)高溫傳熱(導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射換熱、流固耦合傳熱)；

5)煤粉燃燒、氣態(tài)燃料燃燒、油霧燃燒、多種燃料混合及多氧化流燃燒(如燃燒器、分解爐、烘干爐等)；

6)爆炸、爆燃和著火(如煤粉倉(cāng)的爆炸與防治)；

7)環(huán)保(氣體、水污染的擴(kuò)散與防治、脫硫等)。

通過(guò) CFD 的計(jì)算研究可以為工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、技術(shù)改造提供所必需的參數(shù)，如流體阻力(阻力損失)，流體與固體之間的傳熱量(散熱損失等)，氣體、固體顆粒的停留時(shí)間、產(chǎn)品質(zhì)量、燃燼程度、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、處理能力(產(chǎn)量)等綜合參數(shù)，以及各種現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)節(jié)量(如風(fēng)量、風(fēng)溫、組分等)對(duì)這些綜合參數(shù)的影響規(guī)律性。還可以提供流動(dòng)區(qū)域內(nèi)精細(xì)的流場(chǎng)(速度矢量)、溫度場(chǎng)、各種與反應(yīng)進(jìn)程有關(guān)的組分參數(shù)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)這些場(chǎng)量的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有裝置和設(shè)計(jì)中存在的不足，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)、改造設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

CFD 的應(yīng)用減少了試驗(yàn)測(cè)試次數(shù)，節(jié)省了大量資金和時(shí)間，并能解決某些由于試驗(yàn)技術(shù)所限難以進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題。特別是大量 CFD 軟件的出現(xiàn)，大大減少了 CFD 研究的工作量，降低了對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)的要求，使更多的研究者可以使用 CFD 這一工具研究流體問(wèn)題，從而擴(kuò)大了 CFD 的應(yīng)用范圍，推動(dòng)了流體力學(xué)深入發(fā)展。

計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的主要步驟為：首先由流體力學(xué)、熱力學(xué)及傳熱傳質(zhì)學(xué)等基本原理建立質(zhì)量、動(dòng)量、能量、組分及湍流特性等守恒方程組，構(gòu)成基本方程組；其次，由問(wèn)題的物理特征出發(fā)確定計(jì)算域，并給定計(jì)算域進(jìn)出口條件和邊界條件，并由實(shí)驗(yàn)或物理概念的基本假設(shè)出發(fā)，使基本控制方程組封閉；然后對(duì)以上封閉了的非線性基本控制方程組進(jìn)行離散化，制定求解方法，并結(jié)合計(jì)算技巧編寫和調(diào)試出相應(yīng)的程序；最后把模擬預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，并通過(guò)反復(fù)調(diào)試和修改，不斷地改進(jìn)模型及解法，直到獲得較為滿意的結(jié)果。

4 優(yōu)化目標(biāo)

在機(jī)組投產(chǎn)后三次檢修中發(fā)現(xiàn)，鍋爐低溫區(qū)域受熱面一級(jí)再熱器、省煤器進(jìn)出口穿墻管、U型彎頭等部位磨損情況較嚴(yán)重。因一級(jí)再熱器、省煤器受熱面管排布置密集，彎頭與爐前后墻水冷壁間隙小，所有管排、U型彎頭安裝防磨護(hù)瓦難度大，受施工空間、技術(shù)等因素限制，難以保證受熱面檢查檢修不存在遺漏死角，通過(guò)總結(jié)檢修經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)調(diào)研，提出一級(jí)再熱器、省煤器受熱面管排U型彎頭退臺(tái)布置設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，見圖4，改進(jìn)磨損區(qū)域內(nèi)受熱面U型彎頭處的布置形式，方便受熱面管排檢查和更換受損管子。同時(shí)利用CFD和計(jì)算傳熱學(xué)等理論，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究，在工作站上利用通用CFD軟件計(jì)算鍋爐從再熱器入口到省煤器出口段內(nèi)速度分布和流線分布，提出減小受熱面磨損問(wèn)題的阻流板布置方案，以達(dá)到采用增設(shè)適當(dāng)?shù)淖枇靼甯纳屏鲌?chǎng)，以避免帶來(lái)更進(jìn)一步的一級(jí)再熱器、省煤器受熱面磨損問(wèn)題。

5 分析方法

5.1 計(jì)算用的幾何模型與網(wǎng)格劃分

此次計(jì)算的鍋爐建模由三維CAD軟件Inventor完成，其幾何尺寸按照實(shí)際受熱面1∶1設(shè)置，從底部位置開始。

5.2 計(jì)算前的簡(jiǎn)化工作

實(shí)際鍋爐內(nèi)的流動(dòng)十分復(fù)雜，對(duì)其在一定精度上的數(shù)值模擬，可作煙氣為不可壓縮流體的假設(shè)。

5.3 計(jì)算所使用的模型

在計(jì)算中選取以下的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。

1)煙氣流場(chǎng)控制方程：選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬。

2)煙氣運(yùn)動(dòng)方程：由于煙氣體積分率低于10%，可以選用拉格朗日顆粒軌道模型(discrete phase model)進(jìn)行模擬，考慮重力以及曳力對(duì)于粉塵運(yùn)動(dòng)的影響。平均粒徑取2 mm。

3)考慮煙氣與顆粒之間的相互擾動(dòng)與動(dòng)量傳遞。

6 實(shí)際應(yīng)用

一級(jí)再熱器和省煤器進(jìn)出口穿墻管、U型彎頭磨損主要是煙氣走廊引起的，為了根本防止煙氣走廊的磨損，主要的措施是減少爐膛截面速度不均勻系數(shù)，從空氣動(dòng)力結(jié)構(gòu)上使通流阻力相同，使整個(gè)斷面煙速趨于均勻。

采用省煤器假管配合阻流板的方案。在省煤器端部設(shè)置箱型假管，在一級(jí)再熱器、省煤器出口煙氣走廊加裝阻流板，阻流板布置位置：下再熱器上200 mm，上再熱器上200 mm；下省煤器上200 mm，上省煤器上200 mm。阻流板形式見圖5，阻流板及箱型假管布置位置見圖6。

僅采用阻流板的方案。在一級(jí)再熱器、省煤器出口煙氣走廊加裝梳形阻流板，阻流板布置位置：下再熱器下200 mm，下再熱器上500 mm，上再熱器上500 mm；下省煤器上500 mm，上省煤器上300 mm。阻流板形式見圖5，阻流板布置位置見圖7。

在局部管束彎頭和穿墻管位置加裝護(hù)瓦或套管，結(jié)合CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在煙氣流速較高的局部管束彎頭位置加裝護(hù)瓦，在穿墻管外安裝套管，在局部管束表面使用防磨材料或防磨涂料。

7 結(jié)論

一級(jí)再熱器、省煤器受熱面U型彎頭退臺(tái)布置采用箱型假管配合阻流板的方案雖可以很大程度地降低管束與水冷壁之間的最大流速，但在現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施過(guò)程中，箱型假管很難固定安裝，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單支吊結(jié)構(gòu)來(lái)承受管箱重量。故可對(duì)上述方案予以進(jìn)一步改進(jìn)：將箱型假管改為梳形板(兩處布置)，梳形板設(shè)置在原箱型假管的最下根管子處和中間處。梳形板的開口大小同省煤器管排間的節(jié)距，位置在左右方向上與管排間隙一一對(duì)應(yīng)，見圖8。

一級(jí)再熱器、省煤器受熱面U型彎頭退臺(tái)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可以從根本上解決一級(jí)再熱器、省煤器進(jìn)出口穿墻管、受熱面管排U型彎頭難于檢查、檢修和更換問(wèn)題，但受熱面管排退臺(tái)布置后，該區(qū)域會(huì)有明顯的煙氣走廊形成。結(jié)合CFD流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在理論煙氣流速較高區(qū)域增設(shè)阻流板，將大大改善管束與水冷壁之間的流場(chǎng)分布，降低煙氣的最大流速，從根本上減小磨損。而在阻流板斜上部煙氣流速較高區(qū)域受熱面直管段管排加裝防磨護(hù)瓦，避免煙氣對(duì)管束的直接沖刷，可以極大減小磨損，延長(zhǎng)受熱面的使用壽命。采用CFD技術(shù)對(duì)超超臨界機(jī)組受熱面進(jìn)行優(yōu)化有十分重要的推廣價(jià)值。