新型貼壁風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化模擬

張知翔, 成丁南, 王云剛, 趙欽新

(西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,西安710049)

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國約80%以上燃用貧煤鍋爐存在著不同程度的高溫腐蝕,超臨界鍋爐由于其爐膛熱負(fù)荷高、水冷壁壁面溫度高、爐內(nèi)燃燒不均勻程度高,也存在巨大的高溫腐蝕隱患.燃燒器區(qū)域水冷壁發(fā)生高溫腐蝕后,水冷壁壁厚減薄,強(qiáng)度降低,容易造成泄漏和爆管,影響鍋爐機(jī)組的安全運(yùn)行.

目前,國內(nèi)防止高溫腐蝕的主要措施是采用耐腐蝕高合金鋼、滲鋁管及在管外敷設(shè)防腐材料等表面防腐處理,提高水冷壁的抗腐蝕能力.但這些方法都屬于消極防護(hù),同時費(fèi)用較高.

1 貼壁風(fēng)應(yīng)用的起源

貼壁風(fēng)是一種解決水冷壁高溫腐蝕行之有效的方法,它在水冷壁表面形成一層空氣膜,破壞了形成高溫腐蝕所必須具備的還原性氣氛.另外貼壁風(fēng)來源于二次風(fēng),相對于爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔鈦碚f屬于冷風(fēng),能夠降低水冷壁附近的溫度,有利于防止高溫腐蝕.諫壁電廠8號鍋爐為亞臨界單爐體雙爐膛П型布置中間再熱鍋爐,1983年投入運(yùn)行后水冷壁發(fā)生嚴(yán)重的高溫腐蝕,最大腐蝕速率為1.8×10-4mm/h.測試結(jié)果表明,腐蝕區(qū)處于嚴(yán)重缺氧狀態(tài).1988年10月電廠大修中,在前墻雙面水冷壁部位裝設(shè)了貼壁風(fēng)裝置(見圖1).貼壁風(fēng)由風(fēng)道引至固定在水冷壁上的扁平風(fēng)口,風(fēng)量配置以保證消除貼壁煙氣中還原性氣體的前提下,盡可能減少貼壁風(fēng)投入量,以免影響爐內(nèi)燃燒.

圖1 諫壁電廠貼壁風(fēng)裝置示意圖Fig.1 Schematic of closing-to-wall air device applied in Jianbi power plant

1991年11月大修時,在增設(shè)貼壁風(fēng)的區(qū)域內(nèi)割取了試驗(yàn)樣管進(jìn)行外觀和電鏡檢查,結(jié)果表明,貼壁風(fēng)有效地減慢了水冷壁管的腐蝕速度,且由于在缺氧區(qū)及時補(bǔ)充了所需的空氣,使飛灰可燃物含量大幅度下降,鍋爐效率提高0.5%[1].貼壁風(fēng)技術(shù)簡單、投資小、安全可靠,且其風(fēng)量只占總風(fēng)量的5%以下,不會對爐膛內(nèi)的煤粉著火和穩(wěn)定燃燒造成不良影響,適于推廣.然而,傳統(tǒng)的貼壁風(fēng)方法存在以下問題[2-5]:

(1)每層燃燒器都必須配貼壁風(fēng)裝置,投資較大,系統(tǒng)復(fù)雜,容易發(fā)生問題.

(2)貼壁風(fēng)風(fēng)向平行于水冷壁平面,而與水冷壁軸線相垂直,風(fēng)速衰減比較快,投入的貼壁風(fēng)總量比較大,容易影響爐膛的正常燃燒.

(3)貼壁風(fēng)噴口的冷卻條件比較差,傳統(tǒng)貼壁風(fēng)噴口內(nèi)的流場比較均勻,空氣與金屬壁面的傳熱系數(shù)很小,容易出現(xiàn)噴口燒壞的現(xiàn)象.

由于以上原因,使貼壁風(fēng)方法在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制.筆者提出了一種投資小、系統(tǒng)簡單、噴口冷卻條件好、運(yùn)行總風(fēng)量小的貼壁風(fēng)裝置,并通過數(shù)值模擬的方法對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.目前,新型貼壁風(fēng)裝置仍處于設(shè)計(jì)階段,研究成果有助于該貼壁風(fēng)方法的推廣應(yīng)用.

2 新型貼壁風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特點(diǎn)

新型貼壁風(fēng)系統(tǒng)見圖2～圖4,二次風(fēng)由二次風(fēng)母管2通過調(diào)節(jié)風(fēng)門3進(jìn)入風(fēng)道4,風(fēng)道4與風(fēng)箱5相連,進(jìn)入風(fēng)箱5的二次風(fēng)通過膜式水冷壁6上的狹縫8-3進(jìn)入貼壁風(fēng)單元噴口8,由于噴口擋板8-1的作用,二次風(fēng)自貼壁風(fēng)單元噴口8沿著水冷壁軸向同時向上、下兩邊噴出,貼壁風(fēng)沿程阻力小,風(fēng)速衰減慢,克服了傳統(tǒng)裝置風(fēng)向垂直于水冷壁管軸線導(dǎo)致風(fēng)速衰減快的缺點(diǎn).另外,新型貼壁風(fēng)裝置只需布置一層,克服了傳統(tǒng)裝置在每層燃燒器都必須布置的缺點(diǎn),投資小,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單.

圖2 貼壁風(fēng)系統(tǒng)俯視圖Fig.2 Vertical view of the closing-to-wall air sy stem

圖3 貼壁風(fēng)系統(tǒng)側(cè)視圖Fig.3 Side view of the closing-to-wall air system

圖4 貼壁風(fēng)單元噴口示意圖Fig.4 Schematic of the unit nozzle of the closing-to-wall air

貼壁風(fēng)單元噴口的材料為耐熱高合金鋼1Cr25Ni20Si2,可耐1 100℃高溫.它由2個水冷壁管加1個噴口組成(見圖4),布置比較靈活,可以布置在燃燒器區(qū)域任何高溫腐蝕高發(fā)區(qū).其在爐膛內(nèi)的標(biāo)高位置可以根據(jù)實(shí)際情況來定,盡量避開爐膛內(nèi)熱負(fù)荷最高的區(qū)域,減小噴口被燒壞的可能性.

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析,對于四角切圓燃燒煤粉鍋爐來說,燃燒器區(qū)域的高溫腐蝕一般發(fā)生在燃燒器射流下游的水冷壁上[5],為了節(jié)約噴口費(fèi)用和減少貼壁風(fēng)的用量,只在燃燒器射流下游布置貼壁風(fēng)(見圖2).

為了增強(qiáng)貼壁風(fēng)對擋板8-1的冷卻能力,在貼壁風(fēng)單元噴口8中加裝了長翅片8-4與短翅片8-6,使貼壁風(fēng)在噴口8中產(chǎn)生渦流,加大了空氣的對流傳熱系數(shù);長翅片8-4與短翅片8-6又相當(dāng)于擋板8-1的鰭片,加大了擋板8-1與空氣的傳熱面積;擋板8-1、鰭片8-2、長翅片8-4及短翅片8-6都可以做成波紋板,破壞了空氣在金屬壁面的邊界層,增大了對流傳熱系數(shù),增強(qiáng)了空氣的冷卻能力;貼壁風(fēng)單元噴口8不僅受到貼壁風(fēng)的冷卻,還能通過鰭片8-2與水冷壁管6-2進(jìn)行傳熱,進(jìn)一步降低了擋板8-1的溫度.

爐膛膜式水冷壁6上裝有煙氣成分在線監(jiān)測儀9,用來監(jiān)測水冷壁附近煙氣還原性氣氛的嚴(yán)重程度,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)節(jié)貼壁風(fēng)的風(fēng)速;風(fēng)道4中裝有測速裝置10,通過測量風(fēng)速,保證貼壁風(fēng)總量不超過入爐總風(fēng)量的5%,以免影響爐內(nèi)的正常燃燒和鍋爐的燃燒效率.

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 模型介紹

新型貼壁風(fēng)裝置與傳統(tǒng)裝置的主要區(qū)別是加裝了2個短翅片和1個長翅片,因此本文主要針對新型裝置的冷卻能力進(jìn)行模擬.三維模型見圖5,貼壁風(fēng)從狹縫進(jìn)入,遇到擋板后,同時從上、下兩側(cè)噴出.模型選用的水冷壁管直徑48 mm、壁厚6 mm,兩個水冷壁管間節(jié)距80 mm,膜式水冷壁鰭片厚8 mm、長20 mm,貼壁風(fēng)擋板厚5 mm、寬40 mm、高200 mm,貼壁風(fēng)鰭片厚5 mm、寬10 mm、高200 mm.

圖5 貼壁風(fēng)噴口三維模型Fig.5 3D-model of the unit nozzle of the closing-to-wall air

3.2 氣相湍流模型及邊界條件

模擬采用Realizable k-ε湍流模型,其湍流控制方程為:

式中:μ為動力黏性系數(shù);μt為湍流黏度;ρ為密度;u、v分別為x、y方向的速度;k為湍流動能;ε為湍流動能耗散率;Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng);G b是由浮力而引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng);YM是由于在可壓縮湍流中,過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動;C2、C1ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk和 σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù);Sk和Sε是用戶定義的.

計(jì)算時采用流固耦合,二階壓力差補(bǔ),方程離散為Quick格式,網(wǎng)格劃分為完全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.入口為速度入口,出口為壓力出口,氣相流場在壁面處采用無滑移邊界條件,近壁面網(wǎng)格采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法近似處理.

計(jì)算時假定流動和傳熱是穩(wěn)態(tài)的,貼壁風(fēng)物性、水冷壁物性及噴口物性均為常數(shù),擋板外表面采用恒定熱負(fù)荷邊界條件,模擬爐膛火焰對噴口的輻射.由于模型的對稱性,為節(jié)約計(jì)算機(jī)資源,采用對稱性邊界條件,實(shí)際計(jì)算區(qū)域?yàn)閳D4虛線方框內(nèi)的部分.

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬

圖6為加裝翅片前后噴口內(nèi)流場圖,從圖中可以看出,加裝長翅片和短翅片后,噴口內(nèi)的湍流強(qiáng)度大大增加,出現(xiàn)了4個很明顯的渦流,這些渦流能夠大大增強(qiáng)貼壁風(fēng)的對流傳熱系數(shù),降低噴口的溫度.相比之下,空噴口內(nèi)流場比較均勻,而且出現(xiàn)了幾個死區(qū),這將會大大降低貼壁風(fēng)的傳熱系數(shù).

圖6 加裝翅片前后噴口內(nèi)流場圖Fig.6 Flow field in the nozzle before and after installing fins

4.1 短翅片優(yōu)化

圖7 為短翅片位置與長度對噴口外表面最高溫度的影響.從圖中可以看出,當(dāng)翅片相對間距l(xiāng)/L=0.5、短翅片相對高度a/A=0.78時貼壁風(fēng)噴口外表面的最高溫度與其他情況下相比最低,因此在以后的優(yōu)化中均采用l/L=0.5、a/A=0.78,但是實(shí)際中由于制造工藝和熱脹冷縮的考慮,建議短翅片的尺寸為a/A=0.7.

圖7 短翅片優(yōu)化圖Fig.7 Op timization of short fin

4.2 長翅片優(yōu)化

圖8為長翅片的長度對噴口外表面最高溫度的影響.從圖中可以看出長翅片越長,貼壁風(fēng)的冷卻效果越好,但從制造工藝和熱膨脹考慮,建議長翅片的相對高度h/H=0.9.

圖8 長翅片優(yōu)化圖Fig.8 Op timization of long fin

5 性能優(yōu)化數(shù)值模擬

5.1 水冷壁管金屬物性的影響

水冷壁管金屬物性對貼壁風(fēng)裝置的性能有一定影響,而水冷壁管導(dǎo)熱系數(shù)對其性能影響最大.貼壁風(fēng)裝置最主要的性能是噴口的冷卻能力,因此本文就水冷壁管導(dǎo)熱系數(shù)對臨界風(fēng)速的影響進(jìn)行了數(shù)值研究.

由文獻(xiàn)[6]和[7]查得水冷壁管壁的導(dǎo)熱系數(shù)為

式中:t為材料的溫度,℃.

超臨界壓力下燃燒器區(qū)域內(nèi)水冷壁壁溫為400～500℃[8-10],因此選取400℃、450℃、500℃3個工況來試驗(yàn).為了驗(yàn)證水冷壁管材導(dǎo)熱系數(shù)對臨界風(fēng)速vcr(即擋板外表面最高溫度為1 100°C時的貼壁風(fēng)風(fēng)速)的影響,在3個工況下,令水冷壁導(dǎo)熱系數(shù)從40.612到45.425遞增,模擬結(jié)果見圖9.由圖9表明,雖然水冷壁導(dǎo)熱系數(shù)跨度很大,但是臨界風(fēng)速變化很小,均在0.5%以內(nèi),因此認(rèn)為水冷壁管壁的導(dǎo)熱系數(shù)對貼壁風(fēng)的影響可以忽略.

圖9 水冷壁管導(dǎo)熱系數(shù)對臨界風(fēng)速的影響Fig.9 Effects of conductivity of waterwall tube on critical air velocity

5.2 噴口材料物性的影響

噴口材料物性對貼壁風(fēng)裝置的性能有影響,而噴口材料導(dǎo)熱系數(shù)對其性能影響最大,因此本文就噴口材料導(dǎo)熱系數(shù)對臨界風(fēng)速的影響進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果見圖10.

圖10 噴口材料導(dǎo)熱系數(shù)對臨界風(fēng)速的影響Fig.10 Effects of heat conductivity of nozzle material on critical air velocity

由文獻(xiàn)[11]可得1Cr25Ni20Si2的導(dǎo)熱系數(shù)為

由圖9可以看出,當(dāng)kp從21.46變化到24.07時,3種工況下,臨界風(fēng)速有一定變化,但幅度很小,均為7.9%左右.因此建議在耐溫許可的情況下,噴口使用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料.

5.3 貼壁風(fēng)物性的影響

為了研究貼壁風(fēng)物性對裝置性能的影響,本文就不同溫度的貼壁風(fēng)對噴口冷卻能力的影響進(jìn)行了數(shù)值研究.

圖11為同等質(zhì)量流量下,不同溫度、不同物性的冷卻風(fēng)對貼壁風(fēng)噴口的冷卻效果,可以看出冷卻風(fēng)溫度低時,雖然風(fēng)速較低,但是冷卻效果較好.因此建議貼壁風(fēng)取風(fēng)口盡量選在空氣預(yù)熱器前、風(fēng)機(jī)后,這樣對噴口的冷卻效果好,噴入爐膛后對水冷壁的冷卻效果好,有利于抑制高溫腐蝕,而且由于貼壁風(fēng)離主燃燒區(qū)較遠(yuǎn),再加上風(fēng)量小,對鍋爐燃燒的影響很小.

圖11 風(fēng)溫對噴口溫度的影響Fig.11 Effects of air temperature on nozzle temperature

5.4 爐膛熱負(fù)荷的影響

為了研究爐膛熱負(fù)荷對貼壁風(fēng)裝置性能的影響,本文就爐膛熱負(fù)荷對2種貼壁風(fēng)裝置冷卻能力的影響進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果見圖12及圖13.

圖12 熱負(fù)荷對臨界風(fēng)速的影響Fig.12 Effects of heat load on critical air velocity

超臨界壓力下燃燒器區(qū)域水冷壁的熱負(fù)荷為300 k W左右[12],本文選取熱負(fù)荷為150～400 kW.從圖12可以看出隨著爐膛熱負(fù)荷的增加,臨界風(fēng)速迅速增加,所需要的貼壁風(fēng)風(fēng)量也迅速增加.但是同樣負(fù)荷下,新型噴口的用風(fēng)量是傳統(tǒng)噴口用風(fēng)量的1/3左右,可以大大節(jié)省貼壁風(fēng)量,減小貼壁風(fēng)對鍋爐燃燒的影響.從圖13可以看出,在同樣風(fēng)速下,新型噴口的壁溫比傳統(tǒng)噴口低300～600 K,溫差隨著負(fù)荷的增加而增大.

圖13 兩種噴口的溫度對比Fig.13 Temperature comparison between the two nozzles

建議在實(shí)際應(yīng)用時,應(yīng)發(fā)揮新型貼壁風(fēng)裝置的靈活性,盡量避開爐膛熱負(fù)荷高的區(qū)域,減小噴口被燒壞的可能性.

6 結(jié) 論

(1)新型貼壁風(fēng)裝置投資小、系統(tǒng)簡單、噴口冷卻條件好、運(yùn)行總風(fēng)量小,可大力推廣應(yīng)用,能夠提高我國電力生產(chǎn)的安全性.

(2)短翅片l/L=0.5,a/A=0.7時,新型貼壁風(fēng)裝置噴口的冷卻性能最好.

(3)長翅片h/H=0.9時,新型貼壁風(fēng)裝置噴口的冷卻性能最好.

(4)水冷壁管金屬物性對貼壁風(fēng)裝置冷卻性能的影響可以忽略不計(jì).

(5)噴口材料物性對貼壁風(fēng)裝置冷卻性能影響很小,但是建議在保證耐溫的前提下,采用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料.

(6)貼壁風(fēng)物性對貼壁風(fēng)裝置冷卻性能影響較大,在相同質(zhì)量流量下,風(fēng)溫越低,冷卻效果越好,建議取冷風(fēng)作為貼壁風(fēng).

(7)爐膛熱負(fù)荷對貼壁風(fēng)裝置冷卻性能的影響較大,建議發(fā)揮其靈活性,將貼壁風(fēng)裝置布置在熱負(fù)荷較低的區(qū)域,避免噴口被燒壞.

(8)新型裝置的用風(fēng)量是傳統(tǒng)裝置的1/3左右,在同樣的冷卻風(fēng)量下,新型裝置的溫度比傳統(tǒng)裝置低300～600 K,其溫差隨著負(fù)荷的增加而增大.

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