新型防磨裝置對省煤器磨損減輕的模擬分析

裴 彬， 楊東偉， 郁鴻凌， 金 晶

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

新型防磨裝置對省煤器磨損減輕的模擬分析

裴 彬， 楊東偉， 郁鴻凌， 金 晶

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

利用Ansys Fluent軟件研究了省煤器內(nèi)煙氣流場的變化情況，確定了局部煙氣流速過高區(qū)域，煙氣流速過高會對省煤器管束造成極大的磨損，為此提出了一種新型防磨裝置，并通過數(shù)值軟件模擬了該防磨裝置對省煤器管束磨損的減緩效果.結(jié)果表明：在省煤器加裝該防磨裝置后，局部煙氣流速過高處的煙氣流速減至8 m/s，省煤器管束的局部磨損問題得到了明顯的改善.

省煤器； 新型防磨裝置； 煙氣流速； 管束磨損

Abstract： Ansys Fluent software was used to study the changes of flue gas flow field in an economizer, so as to determine the local area where the tube bundles had been worn by too high velocity of flue gas, following which, a new anti-abrasion device was proposed and its effectiveness was simulated by numerical method. Results show that after the anti-abrasion device is installed, the maximum flue gas velocity has been reduced to 8 m/s, resulting in obvious reduction of local abrasion in the tube bundles.

Key words： economizer; new anti-abrasion device; flue gas velocity; tube bundle abrasion

符號說明：

δmax——最大磨損厚度，mm

K——司托克準(zhǔn)則數(shù)

μfh——煙氣中飛灰質(zhì)量濃度，g/m3

t——時間，h

μ——氣體動力黏度，Pa·s

a——飛灰磨損系數(shù)

m——考慮金屬抗磨性質(zhì)的系數(shù)

βu——考慮煙氣流速分布不均勻的系數(shù)

ρfh——飛灰質(zhì)量濃度，kg/m3

d——管子直徑，m

η——飛灰撞擊率

βμ,fh——考慮飛灰質(zhì)量濃度分布不均勻的系數(shù)

u——煙氣流速，m/s

dfh——飛灰直徑，m

鍋爐運行過程中，燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣含有一定濃度的飛灰和未完全燃燒的燃料顆粒.當(dāng)攜帶有飛灰和未完全燃燒燃料顆粒的高速煙氣通過受熱面時，顆粒會撞擊受熱面并削掉微小的金屬屑，從而使受熱面管壁逐漸變薄，即飛灰引起了受熱面的磨損[1-3].

顆粒對受熱面的撞擊可分為垂直方向(法線方向)分力和切向方向(切線方向)分力[4].垂直方向的撞擊會使管壁表面產(chǎn)生微小的塑性變形或顯微裂紋，稱為撞擊磨損；切向方向的撞擊會導(dǎo)致顆粒對管壁表面產(chǎn)生微小的切削作用，造成摩擦及磨損.大量飛灰長期反復(fù)地撞擊受熱面，產(chǎn)生2類磨損的綜合效果，會造成受熱面的嚴(yán)重磨損[5-6].

對于工業(yè)鍋爐的尾部受熱面而言，由于流經(jīng)煙氣的溫度較低(一般低于700 ℃)，煙氣中顆粒物的硬度大大增加，因此會對尾部受熱面造成更大的磨損.為減輕飛灰對尾部受熱面(省煤器)的磨損，筆者提出在省煤器煙道前加裝新型防磨裝置的方案，采用Ansys Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并將該方案實際運用于柳州鋼鐵(集團(tuán))公司的干熄焦余熱鍋爐中，發(fā)現(xiàn)其對換熱管束的防磨效果良好.

1 省煤器磨損的理論研究

飛灰對省煤器受熱面的磨損過程是非常復(fù)雜的，但主要原因是飛灰對受熱面的沖擊作用和切削作用，且以切削作用為主[7-9].因此飛灰對省煤器管子的磨損作用與飛灰動能、單位時間內(nèi)沖擊到管子金屬表面的飛灰數(shù)量以及飛灰的撞擊可能性系數(shù)有關(guān)[10].為了便于判斷管壁磨損量的大小，一般采用磨損厚度來表示.當(dāng)煙氣攜帶飛灰橫向正面沖刷管束時，沿管子圓周上的磨損量是不均勻的，管子磨損最嚴(yán)重處α角的范圍約為30°～50°[11]，如圖1(a)所示.管子受到正面沖刷時最大磨損厚度的計算式[12]為：

δmax=aηm(βμ,fhμfh)(βuu)3t

(1)

其中，a與飛灰磨損性和管束結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，由試驗確定，一般為(0.5～2.0)×10-9；η由圖1(b)中的K值確定，其中K為無因次數(shù)(司托克準(zhǔn)則數(shù))；碳鋼時m為1.0，合金鋼時m為0.7；βμ,fh=1.25；βu=1.2.

K值的計算式如下：

(2)

由式(1)可知，影響飛灰磨損的主要因素為煙氣流速、飛灰質(zhì)量濃度、飛灰磨損性以及管束結(jié)構(gòu)特性[13].其中煙氣流速的影響最為突出，管子最大磨損厚度與煙氣流速成三次方.因此，布置受熱面時除保證設(shè)計煙氣流速不能過高外，應(yīng)特別注意避免局部煙氣流速過高.

(a) 橫向正面沖刷時管子的磨損情況

(b) 飛灰撞擊率η與K值的關(guān)系曲線

圖1 橫向正面沖刷時管子的磨損情況以及飛灰撞擊率η與K值的關(guān)系曲線

Fig.1 Abrasion of tubes under front impingement of flue gas and the curve ofηandK

2 省煤器煙氣側(cè)流場數(shù)值模擬

一方面，影響管子最大磨損厚度的因素中煙氣流速的作用最大；另一方面，省煤器煙道中容易形成煙氣走廊，導(dǎo)致煙道中出現(xiàn)局部煙氣流速過高的情況，因此在省煤器煙道局部煙氣流速過高處管束的磨損情況非常嚴(yán)重.

2.1 模型簡化及參數(shù)設(shè)置

以π型工業(yè)鍋爐為例，在鍋爐尾部煙道中省煤器平行于鍋爐后墻橫向布置，煙氣橫向沖刷省煤器管束.為了盡可能地貼合實際煙氣流場，取煙道彎頭到省煤器出口部分的流場為研究對象.

根據(jù)眾多學(xué)者的研究成果，當(dāng)煙氣橫向沖刷時錯列布置的省煤器管束磨損最嚴(yán)重處為第2～第4排管束，第5排及其后管束的磨損會明顯減輕[12].因此，研究省煤器前4排管束所在煙道截面的煙氣流場可反映省煤器管束的磨損情況.

筆者利用三維建模軟件UG對省煤器及其煙道進(jìn)行1∶1實體建模，如圖2所示.再利用Design Modeler軟件提取內(nèi)流道，最后利用Ansys Icem軟件對內(nèi)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格個數(shù)接近107.

將劃分好的網(wǎng)格經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量檢查之后，導(dǎo)入到Ansys Fluent軟件中.由于鍋爐燃用固體燃料，為了減輕積灰，省煤器煙道的煙氣流速不得小于6 m/s；為了減輕受熱面管子的磨損，煙氣流速一般不超過10 m/s[14]，因此設(shè)定省煤器煙道截面的煙氣流速為8 m/s.煙氣在煙道中的流動選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；煙氣進(jìn)口選取速度進(jìn)口邊界條件，取8 m/s；煙氣出口選取outflow邊界條件；其余各壁面選取wall邊界條件.

圖2 省煤器及其煙道模型圖

2.2 省煤器煙氣側(cè)流場模擬結(jié)果

經(jīng)過數(shù)值模擬得到各管束所在煙道截面的煙氣流速分布，如圖3所示.由圖3可以看出，相鄰管子之間和管束彎頭處的煙氣流速較大，尤其在管束的彎頭處，其煙氣流速遠(yuǎn)大于10 m/s，甚至達(dá)到15 m/s.這說明在管束的彎頭處容易形成煙氣走廊，導(dǎo)致局部煙氣流速過高，長期如此管束的彎頭處會產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損.

(a) 管束1所在煙道截面的煙氣流速分布

(b) 管束2所在煙道截面的煙氣流速分布

(c) 管束3所在煙道截面的煙氣流速分布

(d) 管束4所在煙道截面的煙氣流速分布

3 防磨特性的數(shù)值模擬

一般來說，減輕鍋爐對流受熱面磨損的措施可以從煙氣流速、飛灰質(zhì)量濃度和加裝防磨裝置等方面進(jìn)行.由于管子最大磨損厚度與煙氣流速成三次方，因此減小受熱面中平均煙氣流速，尤其是減少局部煙氣流速過高現(xiàn)象是減輕對流受熱面磨損的一個重要措施.

3.1 新型防磨裝置對省煤器防磨特性的理論分析

為了抑制或消除省煤器因局部煙氣流速過高而造成的磨損，現(xiàn)提出將一種新型防磨裝置加裝在省煤器管束彎頭前，其截面尺寸見圖4.該防磨裝置的基本原理為：當(dāng)煙氣流過防磨裝置時，流場會分解成2個方向的支流.A方向的支流進(jìn)入管束彎頭及煙道壁面間的通道，加裝防磨裝置后該通道的煙氣減少，因此煙氣流速也會減小；而B方向的支流流經(jīng)鈍體，所以會發(fā)生附面層的脫離，進(jìn)而形成漩渦，可增強(qiáng)管束的軸向擾動并打亂煙氣的固定流向，在一定程度上致使煙氣流速分布更加均勻.

圖4 防磨裝置截面的煙氣流向示意圖

形成高煙氣流速煙氣走廊的主要原因是第1排管束彎頭與墻壁之間有空隙，對煙氣的阻力較小，大量煙氣從空隙中流過，形成煙氣流速較大的煙氣走廊.加裝新型防磨裝置后，可分離煙氣，使得流入煙氣走廊的煙氣減少，從而減小煙氣流速，從源頭抑制或消除高煙氣流速煙氣走廊的形成.

3.2 新型防磨裝置對省煤器防磨特性影響的數(shù)值模擬

為了驗證新型防磨裝置對省煤器管束的防磨特性，對加裝防磨裝置后的省煤器煙道流場進(jìn)行數(shù)值模擬.利用三維建模軟件UG對加裝防磨裝置后的省煤器及其煙道進(jìn)行1∶1建模，如圖5所示.再利用Design Modeler軟件提取內(nèi)流道，最后利用Ansys Icem軟件對內(nèi)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格個數(shù)接近107.將劃分好的網(wǎng)格經(jīng)過網(wǎng)格質(zhì)量檢查后，導(dǎo)入到Ansys Fluent軟件中，省煤器邊界條件與沒加裝防磨裝置時相同.

圖5 加裝防磨裝置后省煤器及其煙道示意圖

經(jīng)過數(shù)值模擬得到各管束所在煙道截面的煙氣流速分布如圖6所示.由圖6可以看出，加裝防磨裝置后管束彎頭處的煙氣流速已明顯減小，煙氣流速減至約8 m/s，管子之間通道的煙氣流速也有一定程度的減小，整個流場的煙氣流速分布更加均勻.說明在省煤器加裝防磨裝置后，大大減輕甚至消除了管束彎頭處煙氣流速過高的現(xiàn)象.由此可見，這種新型防磨裝置可減小管束彎頭處過高的煙氣流速，進(jìn)而減輕省煤器管束的磨損現(xiàn)象.

如圖7所示，將防磨裝置表面的煙氣流速整理后，得到沿防磨裝置表面煙氣流速的變化，發(fā)現(xiàn)與前文對防磨裝置流場理論分析的結(jié)果相吻合.

3.3 新型防磨裝置的工程實例

前文數(shù)值模擬的結(jié)果表明理論上所提新型防磨裝置能夠有效抑制或消除π型工業(yè)鍋爐省煤器管束的磨損.為了驗證在工程實際中新型防磨裝置對省煤器管束的防磨效果，將其應(yīng)用到柳州鋼鐵(集團(tuán))公司干熄焦余熱鍋爐中，如圖8所示，吸收了紅焦顯熱的循環(huán)煙氣(溫度為800～850 ℃)經(jīng)過垂直煙道轉(zhuǎn)角后，依次流經(jīng)二次過熱器、一次過熱器、光管蒸發(fā)器、鰭片管蒸發(fā)器、省煤器，最后從鍋爐底部引出[15].

對于余熱鍋爐，由于安裝的需要，在受熱管與鍋爐墻壁之間留有一定的空隙，使得煙氣走廊的阻力較小，導(dǎo)致煙氣走廊的煙氣流速較大，隨之帶來較強(qiáng)的磨損(對煙道彎頭處的二次過熱器磨損尤為嚴(yán)重)，從而影響余熱鍋爐運行的安全性[16].而干熄焦余熱鍋爐中二次過熱器所處的位置和煙氣特性與常規(guī)鍋爐中省煤器所處的位置和煙氣特性極其相似，因此將該防磨裝置應(yīng)用于干熄焦余熱鍋爐可以很好地檢驗其對換熱管束的防磨效果，基于成本與性能的綜合考慮，防磨裝置選取以Al2O3為主要原料的耐磨陶瓷材料.

經(jīng)過實際運行后，檢修人員在檢修余熱鍋爐時發(fā)現(xiàn)換熱管束彎頭處的磨損情況得到了明顯改善，表明該新型防磨裝置對換熱管束有較好的防磨效果，也證實了該新型防磨裝置能夠抑制或消除工業(yè)鍋爐中尾部受熱面(省煤器)管束的磨損.

4 結(jié) 論

(1)省煤器管束彎頭處煙氣流速過高，可達(dá)到15 m/s，容易形成煙氣走廊，會對省煤器管束彎頭處造成極大的磨損.在加裝防磨裝置后，省煤器管束彎頭處煙氣流速明顯減小，可減小至8 m/s，煙道中煙氣流速分布更加均勻.

(a) 管束1所在煙道截面的煙氣流速分布

(b) 管束2所在煙道截面的煙氣流速分布

(c) 管束3所在煙道截面的煙氣流速分布

(d) 管束4所在煙道截面的煙氣流速分布

(a) 防磨裝置處煙氣流速分布

(b) 沿防磨裝置寬度方向的煙氣流速

(2)將新型防磨裝置應(yīng)用在柳州鋼鐵(集團(tuán))公司干熄焦余熱鍋爐中，發(fā)現(xiàn)其對換熱管束的防磨效果良好，表明這種新型防磨裝置可抑制或消除煙氣對鍋爐尾部受熱面(省煤器)管束的磨損.

Fig.8 Structure diagram of the CDQ waste-heat boiler in Liuzhou Iron and Steel (Group) Company

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Effect of a New Anti-abrasion Device on Wear Reduction of the Economizer

PEIBin,YANGDongwei,YUHongling,JINJing

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

2016-07-21

2016-10-17

裴 彬(1992-)，男，湖北監(jiān)利人，碩士研究生，主要從事鍋爐技術(shù)和余熱回收方面的研究. 電話(Tel．)：13236326156；E-mail：baconpb@163.com．

1674-7607(2017)10-0842-06

TK224

A

470.30