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        煤粉鍋爐低溫再熱器管屏彎頭防磨數(shù)值分析

        2021-06-08 13:18:52馮玉霄潘紹成冉燊銘劉文建劉宇鋼
        山東電力技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:煙氣區(qū)域模型

        馮玉霄,潘紹成,冉燊銘,劉文建,劉宇鋼

        (1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731;2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001)

        0 引言

        對于煤粉鍋爐,尾部受熱面區(qū)域煙氣溫度低,飛灰硬度大,受熱面受煙氣的沖刷磨損性強(qiáng)[1],并且煙速越大,磨損性越強(qiáng),研究表明管壁磨損量與煙氣速率的3 次方成正比[2-5],控制煙氣流速能有效降低管屏的磨損,從而防止因管壁長時(shí)間磨損而爆管,但為保證尾部受熱面的經(jīng)濟(jì)性,煙氣流速不能太低,所以控制煙氣分布的均勻性尤為重要。某電廠2×330 MW亞臨界汽包煤粉爐,投運(yùn)一年后,數(shù)次發(fā)生低溫再熱器管屏彎頭磨損的情況,分析認(rèn)為,除了與煤質(zhì)變差、低溫再熱器整體煙速偏高有關(guān)外,還可能與彎頭區(qū)域速度場分布不均有關(guān),在靠近管壁的管子彎頭部分,由于彎管與管壁之間留有一定的間隙,會(huì)形成煙氣走廊,煙速偏高,磨損性更強(qiáng)[6-8],故而在彎頭處加裝防磨板,并分析防磨板不帶孔、帶孔及孔型不同的防磨效果。為了有效解決彎頭防磨問題,利用Fluent 軟件對原方案及采取的不同防磨措施方案進(jìn)行數(shù)值模擬,并提出有效的改進(jìn)措施。

        1 物理模型和基本方程

        在彎頭處加均流板的物理模型如圖1 所示,4 種物理模型方案分別加了均流板(未開孔)、均流板(開孔)、防磨疏型板。分析各物理模型中均流板對管屏速度流場的影響,取初始入口速度為5 m/s。

        圖1 物理模型

        計(jì)算流體力學(xué)一般需要求解以下控制方程:質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程等,本次模擬計(jì)算只是分析低溫再熱器管屏區(qū)域煙氣的速度分布,可以將煙氣近似為單相氣體,不需要求解能量方程,選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程湍流模型[9]求解,按等溫、不可壓縮流場計(jì)算。通過以上近似條件,計(jì)算方程簡化為

        式中:ρ 為流體密度;u、v、w 分別為直角坐標(biāo)系x、y、z方向的速度分量;φ分別代表速度u、v、w、湍動(dòng)能k和紊動(dòng)能耗散率ε;Γφ為擴(kuò)散項(xiàng);Sφ為由氣相引起的源項(xiàng)或匯相;當(dāng)φ=1 時(shí)為連續(xù)性方程。表1 給出了式(1)中的擴(kuò)散系數(shù)和源相的具體形式,其中Gk表示由速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;C1、C2為常數(shù)。

        表1 氣相守恒方程中的源項(xiàng)和擴(kuò)散系數(shù)

        表1中,各變量為:

        在彎頭處鋪設(shè)均流板的模擬計(jì)算中,將模型的左側(cè)、前側(cè)和后側(cè)定義為自由滑移界面,右側(cè)定義為壁面,上方為速度入口,下方為壓力出口,采用SIMPLER 算法求解氣相差分方程組[10],迭代計(jì)算從而得出模擬結(jié)果。

        2 模擬計(jì)算結(jié)果比較

        2.1 管屏彎頭處速度分布比較

        4 種方案的垂直截面速度場模擬結(jié)果如圖2所示。

        圖2 在XY平面的中垂截面速度分布

        為了詳細(xì)分析加入不同均流板對彎頭速度場的影響,現(xiàn)將彎頭定義為12個(gè)區(qū)域,如圖3所示。在4種方案中,12個(gè)區(qū)域內(nèi)的速度最大值比較如表2所示。

        圖3 速度場區(qū)域劃分

        表2 區(qū)域內(nèi)速度分布最大值比較 單位:m/s

        管屏彎頭速度最大值比較見圖4。從圖4 中可以看出,方案Ⅰ中除第1個(gè)彎頭處速度最大值比較小之外,其他11 個(gè)區(qū)域內(nèi)速度最大值都很大,防磨性能不佳。

        圖4 管屏彎頭速度最大值比較

        方案Ⅱ、方案Ⅲ均能使各彎頭部位煙氣流速更均勻,采用400 mm長開孔均流板防磨效率最佳。

        方案Ⅳ開條形孔方案煙氣速度偏差大于方案Ⅱ、方案Ⅲ,防磨效果差于方案Ⅱ、方案Ⅲ,但優(yōu)于方案Ⅰ。

        3.2 管屏水平截面速度分布

        在XZ平面的水平截面速度分布見圖5。因?yàn)楣芷翉濐^處的磨損比較嚴(yán)重,所以并沒有列出水平方向管屏間速度的最大值,只是展示了管屏間的速度流場。從圖5 中可以看出,防磨板開孔之后,管屏彎頭處水平截面速度分布較為均勻。模擬結(jié)果表明:方案Ⅱ和方案Ⅲ速度分布水平優(yōu)于方案Ⅰ。

        3.3 管屏直管段速度分布

        從圖5 水平截面速度分布中可以看出,管屏與管屏之間的速度分布除了彎頭處,其他區(qū)域速度分布比較均勻,圖6為模型正視圖,圖7為A-A左視圖,可以得出同一垂直截面內(nèi)的速度分布最大值。

        圖5 在XZ平面的水平截面速度分布(Y=151.75 mm)

        圖8給出了4種方案下A-A截面內(nèi)的速度分布。由圖8 可知,無論哪種方案,直管段速度最大值出現(xiàn)的地方在最下層直管處,即最下層直管段受煙氣磨損最嚴(yán)重。直管段速度最大值相差不大,方案Ⅱ的速度最大值最小。

        圖6 模型正視圖

        圖7 A-A左視圖

        為了進(jìn)一步比較直管段的速度分布,將A-A 截面劃分為12 個(gè)區(qū)域,如圖9 所示。A-A 截面內(nèi)區(qū)域速度最大值分布如圖10 所示,從圖中可以看到,管屏間速度分布比較均勻,方案Ⅱ和方案Ⅲ效果基本相同。

        圖8 A-A截面速度分布

        3.4 分析討論

        在低溫再熱器彎頭上方加了防磨板(方案Ⅰ)之后管屏彎頭處的速度分布比較小,很大程度上緩解了彎頭的磨損,尤其是最外層管屏的彎頭,而在防磨板上打孔(方案Ⅱ、方案Ⅲ)之后,不僅能夠緩解煙氣對彎頭的磨損,而且使得煙氣在彎頭處的速度分布比較均勻,提高了傳熱。

        圖9 區(qū)域劃分

        圖10 A-A截面內(nèi)區(qū)域速度最大值分布

        適當(dāng)?shù)脑龃缶靼灏鍖挘ǚ桨涪螅┛梢詼p小最大值平均速度,管屏彎頭處煙速分布比較均勻,整體上減輕了煙氣對管屏的磨損。

        加了帶條形孔的均流板(方案Ⅳ)之后,相比不帶孔的工況,區(qū)域內(nèi)速度最大值比較小,速度分布比較均勻,但是相比方案Ⅲ(上下都有均流板,圓孔,板寬400 mm),效果要差很多。

        4 結(jié)語

        對于低溫再熱器管屏,甚至位于尾部煙道的所有管屏,在控制煙速的同時(shí),在彎頭處布置合適寬度的均流板,并在均流板上開分布均勻的圓孔,煙氣流經(jīng)彎頭處速度分布均勻,能夠很好地防止或緩解彎頭處的磨損,從而避免出現(xiàn)彎頭爆管的現(xiàn)象,保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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