汽輪機(jī)噴嘴固體顆粒沖蝕的數(shù)值分析及預(yù)防措施

孫 通 林 波 辛 凱

（1.神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建省石獅市，362712；2.哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司，黑龍江省哈爾濱市，150046）

現(xiàn)代社會科技高速發(fā)展，為了有效提高火力發(fā)電廠的效率，提高進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽的初參數(shù)的同時也加重了鍋爐受熱面固體顆粒氧化物脫落，固體顆粒隨著蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)中，會對汽輪機(jī)葉柵通道、葉片等造成沖擊損傷，形成固體顆粒侵蝕 （SPE）。經(jīng)前人研究發(fā)現(xiàn)，葉片在受到顆粒的沖蝕后，會使其效率下降3%以上，所以預(yù)防固體顆粒沖蝕是保證機(jī)組效率并且促使機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

此前，有外國學(xué)者對固體顆粒沖蝕進(jìn)行研究，并提出了針對汽輪機(jī)運(yùn)行中耐沖蝕涂層以及通流部分設(shè)計(jì)的改善方案，試圖有效地改善固體顆粒沖蝕現(xiàn)象。在我國，隨著汽輪機(jī)組參數(shù)的提高，固體顆粒沖蝕問題已嚴(yán)重影響機(jī)組的效率和安全運(yùn)行。有人對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級固體顆粒沖蝕進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑對葉片沖蝕效果不同，噴嘴內(nèi)的沖蝕區(qū)集中在壓力面的中后部，動葉內(nèi)的沖蝕區(qū)集中在壓力面中后部以及柱形前緣。還有人對汽輪機(jī)通流部分的沖蝕與防治對策進(jìn)行了研究，主要通過減少汽輪機(jī)通流部分的固體顆粒、改善通流部分表面的耐沖蝕特性等方式以防治固體顆粒沖蝕。本文對某電廠東方1000 MW 機(jī)組汽輪機(jī)噴嘴進(jìn)行研究并首次提出加入分散劑，防止固體顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，為研究實(shí)際汽輪機(jī)運(yùn)行中減輕固體顆粒沖蝕作鋪墊，從而探尋本方法在機(jī)組運(yùn)行中的可行性。

1 模型的建立

1.1 計(jì)算網(wǎng)格

本文研究某電廠東方1000 MW 機(jī)組的汽輪機(jī)噴嘴通道，其物理模型計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 噴嘴通道網(wǎng)格示意圖

采用FLUENT6.3 研究汽輪機(jī)噴嘴通道內(nèi)固體顆粒與蒸汽兩相流動，利用gambit軟件建立三維模型和劃分網(wǎng)格，根據(jù)模型的特點(diǎn)，選擇六面體網(wǎng)格，增加2次網(wǎng)格數(shù)目，進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，得出的誤差在合理范圍內(nèi)，最終計(jì)算結(jié)果的精確性可得到保證。汽輪機(jī)噴嘴通道內(nèi)固體顆粒與蒸汽兩相流動采用RNG k-ε湍流方程求解，壓力速度耦合采用Simple二階迎風(fēng)的離散化算法，將迭代計(jì)算的殘差精度設(shè)置為10-5。

RNG k-ε模型是由Yakhot及Orzag提出的，通過大尺度運(yùn)動和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，而使小尺度運(yùn)動有系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得到的k方程和ε方程，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似：

式中：Gk——由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，公式 （1）介紹了計(jì)算方法；

Gb——由浮力而產(chǎn)生的湍流動能，公式 （2）介紹了計(jì)算方法；

YM——由于在可壓縮湍流中，過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動；

C1ε、C2ε、C3ε——常量；

αk和αε——k 方 程 和ε方 程 的 湍 流Prandtl數(shù)；

Sk和Sε——用戶定義數(shù)值。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型比較發(fā)現(xiàn)，RNGk-ε模型的主要變化是：

（1）通過修正湍流粘度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況；

（2）在ε方程中增加了一項(xiàng)，從而反映了主流的時均應(yīng)變率Eff。如此，RNGk-ε模型中產(chǎn)生項(xiàng)不僅與流動情況有關(guān)，而且在同一問題中也是空間坐標(biāo)的函數(shù)。

從而，RNGk-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。

1.2 邊界條件

噴嘴葉柵通道的邊界條件為進(jìn)口給定總溫和總壓，而特殊邊界位置需要周期性邊界條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖蝕率數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行模擬分析時，將顆粒看成均勻進(jìn)入噴嘴進(jìn)口面，可以借用以往計(jì)算沖蝕量的經(jīng)驗(yàn)公式，固體顆粒的質(zhì)量流量是給定的，根據(jù)本文所畫網(wǎng)格，單位時間、單位面積下的沖蝕量εL的計(jì)算公式為：

式中：εL——單位時間、單位面積的沖蝕量；

N——撞擊網(wǎng)格顆粒的數(shù)量；

mp——單個顆粒的質(zhì)量流量；

A——在計(jì)算沖蝕量時網(wǎng)格的單元面積。

2.2 速度場分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對汽輪機(jī)造成顆粒沖蝕的主要因素是磁性氧化鐵Fe3O4，尺寸為2～150μm，因此本文所研究的固體顆粒群速度為150～500 m／s，溫度為600℃，密度為5g／cm3，莫氏硬度約為5.5。

迭代計(jì)算收斂后，將兩種粒徑Fe3O4粒子進(jìn)行工況的對比性能分析，圖2 為針對兩種粒徑不同F(xiàn)e3O4粒子流場速度矢量圖。

圖2 不同粒徑Fe3O4與蒸汽速度分布圖

由圖2 （a）、（b）模擬結(jié)果可以看出，調(diào)節(jié)級的沖蝕部位主要在噴嘴出口邊內(nèi)弧的葉高中部。圖2中顯示了蒸汽在噴嘴中的變化情況，同種粒徑時，其蒸汽沿噴嘴通道速度逐漸變大，并且在出口處達(dá)到最大，說明其對噴嘴葉柵產(chǎn)生了沖蝕。而圖2 （a）、（b）對比可知，粒徑大的溶液沖蝕后速度變化越大，其產(chǎn)生的沖蝕也更嚴(yán)重。

3 分散劑實(shí)驗(yàn)

3.1 分散劑的選取

分散劑的選擇需要滿足以下幾個方面：分散性能好，可有效防止顆粒的團(tuán)聚；有良好的耐高溫、耐高壓性能；不能影響原流體的性質(zhì)等。由于固體顆粒為磁性氧化物Fe3O4，所以本實(shí)驗(yàn)通過對比阿拉伯膠、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨的分散效果，以及其本身性質(zhì)，最后決定選擇十六烷基三甲基溴化銨，因?yàn)槠浞稚⑿Ч麅?yōu)于其他兩種物質(zhì)，并且其擁有易溶于水，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐熱、耐光、耐壓、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等性質(zhì)。經(jīng)過多方面查找文獻(xiàn)，十六烷基三甲基溴化銨并無分解現(xiàn)象，由于超超臨界機(jī)組在啟動中蒸汽參數(shù)較高，所以選用十六烷基三甲基溴化銨作為分散劑。

3.2 流體的配制與結(jié)果分析

根據(jù)超超臨界機(jī)組在啟動中蒸汽性質(zhì)與水相似，本實(shí)驗(yàn)將Fe3O4顆粒與水配制成溶液，采用兩步法配制Fe3O4顆粒水溶液，即將Fe3O4顆粒直接與水進(jìn)行混合，加入分散劑十六烷基三甲基溴化銨，再將混合液放入超聲波震蕩儀進(jìn)行震蕩，使Fe3O4顆粒充分分散到水中，盡量減少團(tuán)聚現(xiàn)象。使Fe3O4顆粒水溶液穩(wěn)定后，分別配制粒徑為20 μm 和100μm 的Fe3O4顆粒水溶液進(jìn)行對比分析。

本實(shí)驗(yàn)采用透射比法將未添加分散劑與添加分散劑的Fe3O4顆粒水溶液的穩(wěn)定性進(jìn)行對比，如圖3所示。

通過圖3可以看出，同粒徑的Fe3O4顆粒水溶液，添加分散劑的溶液穩(wěn)定性高，顆粒在溶液中分散良好；而未添加分散劑的溶液易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著時間的增加，透射比有明顯增加趨勢，說明溶液中固體顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，形成較大顆粒沉于底部。通過圖3 （a）與圖3 （b）對比，不同粒徑的Fe3O4顆粒水溶液添加分散劑后，粒徑大的溶液其穩(wěn)定性要比粒徑小的溶液高，其透射比曲線斜率比粒徑小的溶液小，說明粒徑小的顆粒更容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而形成大粒徑顆粒，所以添加分散劑后能夠更加有效地防止小顆粒團(tuán)聚，防止對汽輪機(jī)葉片造成更大損傷。

圖3 不同時間Fe3O4顆粒水溶液的透射比

通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，加入分散劑后，其穩(wěn)定性高，可有效防止發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，減少更大粒徑顆粒產(chǎn)生，有效阻止了對葉片造成更大損傷。

通過大量閱讀前人的研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，超超臨界等大型參數(shù)的機(jī)組，一般在機(jī)組啟動、停機(jī)時固體顆粒沖蝕效果最大，所以本文建議在啟動初期加入分散劑，并且通過旁路引出，達(dá)到更好地減少固體顆粒沖蝕的效果。

4 結(jié)論

本文通過對不同粒徑的Fe3O4顆粒隨蒸汽在1000 MW 機(jī)組汽輪機(jī)噴嘴通道內(nèi)流動的數(shù)值模擬，以及在流體中加入分散劑的實(shí)驗(yàn)，闡述了不同粒徑的顆粒對沖蝕效果有著不同的影響。大粒徑顆粒沖蝕嚴(yán)重，損傷大，因而本文建議在啟動初期加入分散劑，以防止顆粒在流動中 發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，以減少固體顆粒沖蝕。實(shí)驗(yàn)證明，加入分散劑后，F(xiàn)e3O4顆粒水溶液穩(wěn)定性好，不易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而減少了流動中小顆粒團(tuán)聚成大顆粒，進(jìn)而減少了固體顆粒沖蝕。

［1］ 鄭體寬.熱力發(fā)電廠 ［M］.北京：水利電力出版社，1995

［2］ KAWAGISHI H，KAWASSAKI S，IKEDA K，et al.Protective design and boride coating against solid particle erosion of first-stage turbine nozzles［J］.ASME Power Division，1990，10

［3］ R M Curran.Solid particle erosion—turbine design and material fixes［R］.EPRI 1885-1，1983

［4］ B Beacher，W Tabakoff，A Hamed.Improved particle trajectory calculations through turbomachinery affected by coal ash particles［R］.ASME 81-GT-53，1981

［7］ 張莉，鄭玉婷.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級固體顆粒沖蝕的數(shù)值模擬 ［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2013 （1）

［8］ 朱寶田.固體顆粒對汽輪機(jī)通流部分的沖蝕與防治對策 ［J］.中國電力，2003 （5）