煙氣輪機(jī)內(nèi)不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值研究

陳帥甫，王建軍，金有海

（中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580）

煙氣輪機(jī)是催化裂化能量回收系統(tǒng)中的核心設(shè)備[1-3]。近年來，隨著重油、渣油等劣質(zhì)原油的大量加工，高溫?zé)煔庵写呋瘎╊w粒在煙機(jī)動(dòng)葉片和圍帶上的結(jié)垢現(xiàn)象日益普遍。結(jié)垢會(huì)影響催化煙機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，造成催化煙機(jī)振動(dòng)異常、葉片斷裂、腐蝕和沖蝕等故障，嚴(yán)重影響催化裂化裝置長周期安全運(yùn)行，甚至導(dǎo)致煙氣能量回收等無法實(shí)現(xiàn)[4-7]。為探索催化劑顆粒在煙機(jī)內(nèi)結(jié)垢的原因，必須對催化劑顆粒在煙氣輪機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及顆粒濃度的分布規(guī)律進(jìn)行深入地研究，以保證煙氣輪機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，滿足工程要求。

煙氣輪機(jī)入口處催化劑顆粒的粒徑多為20 μm以下?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，粒徑為5 μm的顆粒傾向于向動(dòng)葉壓力面底部運(yùn)動(dòng)，由于該處煙氣黏度大、溫度低，催化劑顆粒容易在此處沉積結(jié)垢；粒徑為10 μm以上的顆粒容易磨損葉頂?shù)某鰵膺匸8]。顆粒粒徑為15 μm以上的顆粒運(yùn)動(dòng)滑移效果較明顯，會(huì)導(dǎo)致一定數(shù)量的顆粒直接沖擊葉片壓力面的中部，反彈后向下游運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中，會(huì)有較小比例的顆粒撞向葉片吸力面[9]。本文中根據(jù)某煉油廠實(shí)際煙機(jī)建立數(shù)值分析模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和DPM離散相模型[8，10]對煙機(jī)內(nèi)氣固兩相流場進(jìn)行模擬，研究粒徑為1～10 μm的催化劑顆粒在煙氣輪機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探索小粒徑顆粒在動(dòng)葉片上的結(jié)垢機(jī)理。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

采用前處理軟件GAMBIT中的Turbo模塊對煙氣輪機(jī)級(jí)葉柵建模，如圖1所示。

該煙氣輪機(jī)葉柵流道由38個(gè)靜葉片和57個(gè)動(dòng)葉片組成，動(dòng)、靜葉片個(gè)數(shù)之比接近2∶3，因此數(shù)值模擬過程中選取包含2個(gè)靜葉和3個(gè)動(dòng)葉的流道進(jìn)行分析，所建數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

由于葉片表面為復(fù)雜三維曲面，不便采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，因此使用混合網(wǎng)格對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

靜葉部分模型網(wǎng)格數(shù)量為97 000，動(dòng)葉部分模型網(wǎng)格數(shù)量為185 780，總體模型網(wǎng)格數(shù)量為282 780。經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查，動(dòng)靜葉網(wǎng)格均不存在高扭曲度網(wǎng)格和負(fù)體積網(wǎng)格，符合數(shù)值模擬的網(wǎng)格要求。

圖1 煙氣輪機(jī)級(jí)葉柵示意圖Fig.1 Schematic diagram of flue gas turbine cascade

圖2 煙氣輪機(jī)數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical modeling of flue gas turbine

圖3 煙氣輪機(jī)數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置Fig.3 Numerical grid modeling and boundary conditions of flue gas turbine

1.2 邊界條件

進(jìn)入煙氣輪機(jī)的煙氣組分及含量（體積分?jǐn)?shù)，下同）為：N274%、CO213.72%、H2O 9.51%、O22.76%和SO20.01%。由相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得入口處總壓為351.981 kPa，總溫度為874.33 K，入口處的湍流強(qiáng)度為0.038，入口截面的水力直徑為50.20 mm；出口處靜壓力為108 kPa。

對煙氣輪機(jī)數(shù)值計(jì)算模型中各個(gè)面分別做如下設(shè)置：機(jī)殼、輪轂、動(dòng)葉吸力面、動(dòng)葉壓力面、靜葉吸力面、靜葉壓力面的邊界類型為壁面（wall），靜葉入口邊界類型為壓力入口（pressure inlet），動(dòng)葉出口的邊界類型為壓力出口（pressure outlet），靜葉出口和動(dòng)葉入口的邊界類型為交界面（interface），流場兩側(cè)面的邊界類型為周期性邊界（periodic）。其中，動(dòng)靜轉(zhuǎn)子之間的數(shù)據(jù)傳遞通過采用滑移網(wǎng)格技術(shù)[11]實(shí)現(xiàn)。模型邊界條件設(shè)置如圖3所示。

求解設(shè)置中，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)，求解器采用耦合隱式求解器，并采用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂。在氣相非穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算收斂后加入離散相模型，并設(shè)置入射源為慣性顆粒，入射面即靜葉入口面，對不同粒徑的催化劑顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 煙氣輪機(jī)級(jí)葉柵內(nèi)氣相模擬結(jié)果

圖4所示為中徑截面處的壓力、溫度、速度云圖。圖5為中徑截面處靜壓、靜溫、速度隨子午線距離變化的曲線圖。

圖4 中徑截面處流動(dòng)參數(shù)云圖Fig.4 Flow parameters contours on pitch diameter surface

圖5 中徑截面處流動(dòng)參數(shù)隨無量綱子午線距離變化曲線Fig.5 Flow parameters with radial distance of meridian on pitch diameter surface

從圖中可以看出，煙氣進(jìn)入流道后先在靜葉通道內(nèi)膨脹加速，壓力和溫度都大幅降低，速度增大，并在動(dòng)葉入口處達(dá)到峰值。在此過程中，壓力能和一部分熱能轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能。煙氣進(jìn)入動(dòng)葉流道后，氣流作用在動(dòng)葉壓力面上，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，因而氣流絕對速度減小，實(shí)現(xiàn)了氣流的動(dòng)能向煙機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。同時(shí)可以看到，煙氣流速減小最快的位置是在距動(dòng)葉片入口約1/3處左右，由此可以推測，固相顆粒到達(dá)此處時(shí)速度也會(huì)減小，顆粒在此處較易發(fā)生沉積。

2.2 煙氣輪機(jī)級(jí)葉柵內(nèi)顆粒相運(yùn)動(dòng)情況

動(dòng)葉上不同粒徑顆粒的碰撞率分布情況如圖6所示。由圖可以看出，不同粒徑顆粒對壓力面的碰撞頻率均比吸力面較高。在吸力面內(nèi)，1～7 μm的顆粒的高碰撞率區(qū)域占整個(gè)吸力面的比例很小，且撞擊主要發(fā)生在吸力面的后緣。7～10 μm的顆粒高碰撞率區(qū)域出現(xiàn)在距葉片后緣約1/3處的底部區(qū)域，與前緣頂部的低碰撞率形成明顯對比。

圖6 動(dòng)葉上不同粒徑顆粒的碰撞率分布Fig.6 Collision rates distribution of different particle size on the rotor blade

在壓力面內(nèi)，1～3 μm的顆粒對壁面碰撞概率較高但分布較為分散，沒有出現(xiàn)高碰撞率集中分布的區(qū)域?！?～5 μm顆粒碰撞率分布總體上葉片后部比前部略高，與粒徑為≥5～7 μm的顆粒碰撞率分布情況相比，可以發(fā)現(xiàn)兩者均在葉片前緣處有較高的碰撞率，且隨著粒徑的增大而更容易與葉片前緣底部發(fā)生碰撞。粒徑≥5～7 μm和≥7～10 μm的顆粒碰撞率分布情況相似，碰撞率較高的區(qū)域主要沿葉片前緣約1/3處底部至后緣頂部的對角線附近分布，而且在前緣頂部碰撞率均較低。相比之下，≥7～10 μm的顆粒在葉片后緣底部的碰撞率較≥5～7 μm的顆粒略高。由此可見，粒徑大于5 μm的顆粒更容易與動(dòng)葉片表面發(fā)生碰撞，而且隨著粒徑的增大，顆粒更趨向于和葉片底部發(fā)生碰撞。

圖7為靜葉片表面顆粒沉積質(zhì)量分布情況。從圖中可以看出，顆粒在靜葉片壓力面的沉積質(zhì)量分布主要集中在葉片的前緣和后緣附近，葉片中部雖然也有一定數(shù)量的沉積，但沒有形成大范圍的高水平分布。吸力面上顆粒的沉積分布規(guī)律特征明顯，即主要集中在葉片前緣約1/6的范圍內(nèi)，且頂部沉積質(zhì)量顯著大于底部。

動(dòng)葉片表面顆粒沉積質(zhì)量分布情況如圖8所示。壓力面上，顆粒沉積質(zhì)量分布較為分散，沒有出現(xiàn)明顯的沉積質(zhì)量集中分布的區(qū)域。同時(shí)可以看到總體上沉積質(zhì)量分布較高的區(qū)域在葉片后部比前部略多，底部比頂部略多。動(dòng)葉片的吸力面內(nèi)，沉積質(zhì)量較高的區(qū)域位于葉片前緣底部至后緣頂部的對角線上方區(qū)域，且前緣距離葉片底部約1/3～1/2葉片高度的區(qū)域和頂部中間位置處為沉積質(zhì)量最大的區(qū)域。此外，葉片后緣底部沉積質(zhì)量很小，這是由于此處氣流的剪切速度較高，因而顆粒不易發(fā)生沉積。

圖7 靜葉片顆粒沉積質(zhì)量分布Fig.7 Particles deposition mass distribution on stationary blade

圖8 動(dòng)葉片顆粒沉積質(zhì)量分布Fig.8 Particles deposition mass distribution on moving blade

將圖8與圖6進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，壓力面內(nèi)碰撞率雖然較高，但是沉積質(zhì)量分布并不明顯，說明大部分顆粒與壓力面發(fā)生碰撞后重新返回流場，在氣流的吹掃作用下從流道出口流出。而吸力面雖然粒徑為3～7 μm顆粒的碰撞率不高，但7～10 μm的顆粒在碰撞后沉積于吸力面表面，導(dǎo)致沉積質(zhì)量相對吸力面較高。在吸力面前緣和頂部區(qū)域，氣流剪切速度較低，因而相比其他區(qū)域更容易導(dǎo)致顆粒的沉積。

3 結(jié)論

1）煙氣流道內(nèi)氣相速度和壓力的分布是導(dǎo)致固相顆粒與葉片表面發(fā)生碰撞和沉積的主導(dǎo)因素。氣相流速降低梯度最大的位置在距動(dòng)葉片入口約1/3處，固相顆粒到達(dá)此處時(shí)速度也會(huì)相應(yīng)減小，因而顆粒在此處較易與葉片表面發(fā)生碰撞。

2）不同粒徑顆粒在壓力面上的碰撞率均比吸力面上的碰撞率高。在動(dòng)葉壓力面內(nèi)，粒徑大于5 μm的顆粒更容易與動(dòng)葉片表面發(fā)生碰撞，高碰撞率區(qū)域沿葉片前緣約1/3處底部至后緣頂部的對角線附近分布，而且隨著粒徑的增大，顆粒更傾向于和葉片底部發(fā)生碰撞。

3）在靜葉片吸力面內(nèi)，顆粒的沉積主要集中在葉片前緣約1/6的范圍內(nèi)，且頂部沉積質(zhì)量顯著大于底部。

4）在動(dòng)葉片的吸力面內(nèi)，沉積質(zhì)量較大的區(qū)域位于葉片前緣底部至后緣頂部的對角線上方區(qū)域，而且吸力面前緣底部和頂部中間區(qū)域顆粒沉積質(zhì)量最大。

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