锅炉受热面管束磨损问题的理论研究

熊力军

摘要：本文针对火电厂中燃煤锅炉受热面由于烟气长期冲刷发生磨损，以省煤器为例，讨论了颗粒直径、受热面管排布置方式对受热面管束磨损的影响，采用fluent软件，对颗粒直径和管排顺列、错列布置进行模拟分析并对颗粒轨迹进行对比。结果表明：颗粒直径越大对管束磨损越严重。在相同的条件下，错列管束与顺列管束第一排管的飞灰磨损规律基本一致，但后几排管的磨损规律差别很大，错列管束总的磨损量要远大于顺列管束。

关键词：换热器受热面；磨损；数值模拟；省煤器

在火力发电中燃煤锅炉的换热器由于烟气的长期冲刷而使换热器发生磨损。换热器管束磨损是一个普遍而又十分重要的问题，也是生产现场中的一大难题。国内外对锅炉受热面磨损问题进行了大量的理论和实践探索，取得了丰富的研究成果和实践经验。由于飞灰磨损与烟气速度的指数关系，因此，烟气速度被认为是最主要的影响因素，设法减少烟气速度场不均匀，均衡烟气流场，减少问题发生点的峰值烟速，迫使飞灰在烟气通道中重新分布，则飞灰磨损爆管问题有望获得根本性解决[1-4]。

本文运用gambit软件建立二维几何模型，对各种管排布置方式进行可视化网格划分，然后运用fluent软件对上述模型进行数值模拟计算，可以得到单管、顺列管和错列管管束下的灰粒运动轨迹图。并对灰粒运动轨迹图进行对比主要讨论了颗粒直径和受热面管排布置方式对磨损的影响。

1数学模型

1.1网格划分

本文对固体颗粒冲刷换热器管束进行了数值模拟，为使数值计算更接近于实际的运行情况，采用交错网格技术对整个计算区域进行网格划分，采用幂函数方案作为对流与扩散公式，利用非正交曲线坐标系并结合用修正的湍流模型，壁面函数法，用SIMPLEC进行压力和速度的耦合计算，得到了不同换热器管束类型流场的数值解。下面给出了不同类型的换热器管束的网格划分图，图图a)、图b)和图c)的网格数量分别为19万、20万和21万。

图a单管网格图b顺列网格图c错列网格

1.2定解条件

1）进口条件：进口速度按不同流体不同的速度给定。进口湍动能k按进口的气流速度计算，进口湍动能扩散率ε按下面的公式计算：

(1-1)

(1-2)

2）出口条件：出口速度满足流量守恒定律，认为出口截面上主流速度方向坐标已经局部地单向化，认为流动已经充分发展，各个参数的一阶偏导数为零。

3）壁面条件：假定在壁面处无滑移，近壁区采用标准壁面函数法。

1.3数值计算方法

运用fluent软件对上述模型进行数值模拟计算，可以得到单管、顺列管和错列管管束下的灰粒运动轨迹图。

2计算结果的分析与讨论

数值模拟计算条件为：圆管直径=30㎜，颗粒直径=50、100、200µm，颗粒数量=80，颗粒速度=10m/s，颗粒均匀分布在入口边界，主气流速度=10m/s，错列管和顺列管，管间距为6mm。

2.1颗粒直径对管束磨损的影响

通过模拟得到了单管的轨迹图，如下所示：

2-1a）单管粒径为50m的颗粒轨迹

2-1b）单管粒径为100m的颗粒轨迹

2-1c）单管粒径为200m的颗粒轨迹

图2-1为粒径不同的颗粒冲刷单个圆管的轨迹图

从图2-1a）中可看出，当固体颗粒向前运动碰撞到管壁时就被反弹改变方向，经过一段时间后与气流一起运动，颗粒跟随性较好；而在靠近管壁上下侧的颗粒由于气流的影响而绕过管壁随气流行前运动，并不与管壁发生碰撞；在靠近上下边界处的固体颗粒由于受圆管的影响较小，几乎不改变运动状态而飞出出口边界；然而随着颗粒直径的增大，图2-1b）,2-1c）越来越多的颗粒与管壁发生碰撞，且碰撞反弹幅度增大；在dp>200μm以后，几乎所有颗粒都与管壁相碰撞，碰撞反弹明显而剧烈。通过比较得出：当煤粉颗粒直径较小时，气体流场对小颗粒的影响作用非常显著，在煤粉细度小到一定程度时，有可能出现颗粒运动轨迹追随气体流线的现象。而当煤粉颗粒直径较大时，由于惯性增大而受气体流场的影响变小。当颗粒直径增大到一定程度时上述的区别将越来越不明显。

2.2管束布置方式对磨损的影响

通过模拟的到了顺列和错列管的颗粒轨迹图如下所示：

2-2a）顺列管粒径为50μm的颗粒轨迹2-3a）错列管粒径为50μm的颗粒轨迹

2-2b）顺列管粒径为100μm的颗粒轨迹2-3b）错列管粒径为100μm的颗粒轨迹

2-2c）顺列管粒径为200μm的颗粒轨迹2-3c）错列管粒径为200μm的颗粒轨迹

图2-2为粒径不同的颗粒冲刷顺列管的轨迹图图2-3为粒径不同的颗粒冲刷错列管的轨迹图

通过对图2-2和图2-3比较顺列与错列两种情况可见在相同的条件下，错列管束与顺列管束第一排管的飞灰磨损规律基本一致，但后几排管的磨损规律差别很大，错列管束总的磨损量要远大于顺列管束。这是由于顺列管束的第一排管在相同条件下与单管的飞灰磨损量相差不大，而对于顺列管束的第二排管束来说，由于第一排管束的阻挡作用，第二排管子的飞灰磨损较之第一排管要轻。对于错列管来说，由于第一排管束对第二排管束起不到保护作用，而且通过第一排管束的引曳，灰粒在流经第一排管束而撞击到第二排管束之前速度又有所增加，所以错列管束第二排管的飞灰磨损量可比第一排管束大的多。

3结论

通过对二维计算模型进行数值模拟，对不同灰粒直径及不同管排布置方式比较分析。并得出如下结论：（1）材料的磨损量与颗粒的直径大小有关。颗粒直径很小时，材料所受的冲蚀磨损很小，随着颗粒直径的增大，磨损量随之而增加，但当颗粒直径大到某一临界值后，磨损量几乎不变或者变化十分缓慢。（2）受热面磨损与其布置方式有关。在相同的条件下，错列管束与顺列管束第一排管的飞灰磨损规律基本一致，但后几排管的磨损规律差别很大，错列管束总的磨损量要远大于顺列管束。

参考文献

[1]岑可法，樊建人，池作和．锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算．科学出版社，1994.

[2]李丰泉，周岩，刘鸿宾，孙广东．电站锅炉受热面磨损分析及防范措施．2008，1(26)：45-47.

[3]张清风，陈英涛．锅炉四管泄露的规律及防范措施．华北电力技术．2004，11：47-51.

[4]柳青，阎维平．电站锅炉尾部受热面磨损及防磨途径探讨．电站系统工程．2005，7，21(4).

作者简介

熊力军（1966.2.25）男，曾任华能平凉发电有限公司检修部副主任、安质部主任，华能新疆阜康热电有限公司、华能榆神热电有限公司、华能陕西检修有限公司副总经理，现任陕西渭河发电有限公司副总经理。自参加工作以来，一直从事火力发电厂运行、检修、基建等相关管理工作，对火力发电厂锅炉检修、锅炉安装工作有深入研究。