某電廠低低溫省煤器磨損機(jī)理及改進(jìn)措施研究

文玨， 黨岳， 曹超

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北分公司，西安710021）

0 引言

電廠低低溫省煤器技術(shù)利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水，在提高機(jī)組效率的同時(shí)降低排煙溫度，可提高除塵效率、減少污染物排放[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多的機(jī)組開(kāi)始使用此技術(shù)以達(dá)到節(jié)能降耗的目的[2-11]。但在應(yīng)用低低溫省煤器技術(shù)的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)低低溫省煤器過(guò)度磨損、堵塞等問(wèn)題[12-14]，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。過(guò)度磨損原因主要有兩點(diǎn)：一是飛灰中夾帶堅(jiān)硬顆粒沖刷管子表面；二是煙氣流速過(guò)高。煙氣中的堅(jiān)硬顆粒物濃度可以通過(guò)加裝爐內(nèi)除塵器、改善煤粉細(xì)度等方法降低，煙氣流速則需要通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、增加防磨蓋板等方式予以控制[15]。理論上，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化既可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定，也可以通過(guò)數(shù)值模擬方法確定。實(shí)際應(yīng)用中煙道尺寸大，實(shí)驗(yàn)方法難以有效實(shí)現(xiàn)。相對(duì)而言，數(shù)值方法可操作性強(qiáng)、分析全面，其精度也可滿(mǎn)足工程需求。因此，本文選用數(shù)值模擬的方法分析低低溫省煤器磨損原因，對(duì)不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)下的煙氣流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施。

1 機(jī)組概況

某燃煤電廠4號(hào)鍋爐為武漢鍋爐廠生產(chǎn)的WGZ1100/17.5－1型亞臨界自然循環(huán)鍋爐，采用直流擺動(dòng)燃燒器、四角布置、雙切圓燃燒，一次再熱、平衡通風(fēng)、三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器，固態(tài)除渣、全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、鍋爐緊身封閉。燃用大同煙煤。2014年進(jìn)行電除塵改造的同時(shí)進(jìn)行了低低溫省煤器改造，運(yùn)行2 a期間，低低溫省煤器發(fā)生多次泄漏，造成煙道堵灰嚴(yán)重，影響鍋爐的安全運(yùn)行，電廠多次組織檢修工作，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

低低溫省煤器高溫段采用20鋼，低溫段管排材質(zhì)均采用耐腐蝕的ND鋼，避免產(chǎn)生低溫腐蝕，設(shè)計(jì)腐蝕速率不大于0.2 mm/a。根據(jù)省煤器材質(zhì)、煤質(zhì)以及設(shè)計(jì)腐蝕速率，該電廠低溫省煤器煙氣流速應(yīng)控制在7 ～12 m/s的范圍，過(guò)高流速會(huì)加快省煤器腐蝕，流速過(guò)低會(huì)造成省煤器積灰。安裝2排假管，聲波吹灰器安裝在高溫段和低溫段之間。

圖1 假管和低低溫省煤器磨損實(shí)物圖

運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)低低溫省煤器入口處假管吹損嚴(yán)重，且低低溫省煤器經(jīng)常被磨損，位置均為導(dǎo)流板切向方向，如圖1所示。經(jīng)過(guò)初步分析，推測(cè)原因?yàn)閷?dǎo)流板設(shè)置不合理，導(dǎo)致局部流速過(guò)大，造成低低溫省煤器入口處局部管道磨損嚴(yán)重。

2 CFD方法簡(jiǎn)介

CFD方法是流體力學(xué)的一個(gè)分支，以電子計(jì)算機(jī)為手段，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題研究的目的。描述流體流動(dòng)的Navier-Stokes偏微分方程組是非線性的，實(shí)際問(wèn)題又比較復(fù)雜，因此精確解只能在某些非常簡(jiǎn)化的模型中得到，很難用于實(shí)際工程。CFD方法核心是將Navier-Stokes方程通過(guò)離散的方法轉(zhuǎn)化成線性方程組，通過(guò)分析實(shí)際問(wèn)題確定合適的邊界條件，從而求解得到線性方程組的解，進(jìn)而得到所計(jì)算流體的流動(dòng)參數(shù)，在保證計(jì)算精度的同時(shí)獲得可靠的結(jié)果，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

本文中流體的控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，選用的湍流方程為RNG k-ε方程，如下所示。

連續(xù)性方程：

式中：u為速度；x,y,z為笛卡爾坐標(biāo)系三個(gè)方向。

動(dòng)量方程組：

式中：ρ為密度；P為壓力；ν為黏度。

RNG k-ε方程：

式中：Gk為層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Ym為由于在可壓縮湍流中過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1，C2，C3為常量；αk和αε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶(hù)自定義源項(xiàng)。

3 模擬及結(jié)果分析

3.1 邊界條件設(shè)定

初步分析原因可能是煙道導(dǎo)流板布置不合理或不完善的原因?qū)е碌偷蜏厥∶浩魅肟跓煔饬魉俨痪鶆颍斐删植磕p。為驗(yàn)證分析的正確性，使用三維建模軟件建立煙道模型（如圖2），煙道出口連接低低溫省煤器入口導(dǎo)流板為厚度5 mm的薄金屬片，由于只研究流體流動(dòng)，因此導(dǎo)流板部分做挖空處理。

圖2 煙道模型

邊界條件設(shè)置：入口設(shè)置為速度入口邊界條件，根據(jù)電廠實(shí)際流量，入口速度設(shè)為10.26 m/s，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，出口表壓為0 Pa。出入口均選用湍流強(qiáng)度和水力直徑湍流邊界條件。經(jīng)過(guò)計(jì)算，取入口湍流強(qiáng)度為2.88%，水力直徑2.1 m，出口湍流強(qiáng)度為2.76%，水力直徑4.68 m。

3.2 網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試

將模型劃分網(wǎng)格時(shí)，要確定計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)目和形式的影響，網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試的結(jié)果如表1所示，可以看出，網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到44萬(wàn)時(shí)網(wǎng)格與計(jì)算結(jié)果已經(jīng)無(wú)關(guān)，因此，本文取44萬(wàn)網(wǎng)格。

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試結(jié)果 m/s

3.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用美國(guó)RMS標(biāo)準(zhǔn)作為判斷氣流均勻性分布的依據(jù)[15]，即相對(duì)均方根法。判斷公式如下：

本研究中重點(diǎn)觀測(cè)低低溫省煤器入口煙氣的流動(dòng)狀態(tài)，因此取出口截面數(shù)據(jù)進(jìn)行RMS標(biāo)準(zhǔn)判斷。

3.4 原導(dǎo)流板模擬結(jié)果

為直觀看到煙氣在煙道出口流速分布，做如圖2（a）中虛線所示截面，觀察截面上速度分布云圖，針對(duì)電廠原有導(dǎo)流板設(shè)置進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3是數(shù)值計(jì)算的速度云圖，垂直坐標(biāo)為煙氣流速標(biāo)尺，顏色越深，煙氣流速越高。圖4為出口1和出口2的速度分布曲線，橫坐標(biāo)表示X方向的位置，圖中左側(cè)曲線為出口1的速度分布，右側(cè)曲線為出口2的速度分布，由圖中可以看出，沿導(dǎo)流板的切線方向速度變化劇烈，緊貼導(dǎo)流板的部分由于邊界層的原因流速很小，兩片導(dǎo)流板之間的流速增長(zhǎng)迅猛，基本在中間處達(dá)到最高，最高流速可達(dá)14 m/s，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)煙氣流速要求，且出口流速分布不均勻，這是造成低低溫省煤器局部磨損的主要原因。

圖3 原導(dǎo)流板布置下截面的速度云圖

圖4 原導(dǎo)流板布置下出口的速度曲線

3.5 新型導(dǎo)流板布置方案

某電廠現(xiàn)有的導(dǎo)流板設(shè)置方案明顯不合理，造成了比較嚴(yán)重的后果，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)原導(dǎo)流板布置下的模擬結(jié)果，提出四種改進(jìn)方案，這四種方案均可以降低導(dǎo)流板出口流速，使出口流速更加接近設(shè)計(jì)值。

1）方案一。取消原有煙道出口處的導(dǎo)流板，保留煙道中部彎頭處的導(dǎo)流板，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6，由圖5可以看出，取消原有導(dǎo)流板可以有效地降低煙氣的局部流速，并使之接近設(shè)計(jì)值范圍要求，但在擴(kuò)散口兩側(cè)的深色區(qū)域，由于煙氣流速過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致灰量堆積，造成煙道局部堵塞，降低換熱面積。由圖6可以看出，煙氣出口最大流速已控制為11 m/s。

圖5 方案一截面流速云圖

圖6 方案一出口流速分布曲線

圖7 方案二導(dǎo)流板改造方式示意圖

圖8 方案二截面流速云圖

2）方案二。將原有導(dǎo)流板7等分，每隔一等份取消一節(jié)導(dǎo)流板，如圖7所示。

圖9 方案二出口流速分布曲線

計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示，由結(jié)果可以看出，方案二也可有效地降低煙氣的局部流速，最高流速可從原有的14 m/s降低至12 m/s，同時(shí)，出口處煙氣的流速分布趨于均勻，低流速區(qū)域明顯減少，積灰可能性降低。

圖10 方案三煙道改造

3）方案三。取消原有導(dǎo)流板，改變?cè)袩煹啦贾茫匦略O(shè)計(jì)煙道（如圖10），使煙道以比較平滑的方式改變。

圖11 方案三出口流速分布曲線

計(jì)算結(jié)果由圖11所示，從圖11可以看出，煙氣流速明顯降低，最高出口煙氣流速10 m/s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但還是存在流速分配不均的情況，靠近煙道出口內(nèi)側(cè)積灰概率較大。

圖12 方案四流速截面云圖

圖13 方案四出口流速分布曲線

4）根據(jù)方案三的思路，在加寬后的流道出口添加圖12所示的導(dǎo)流板。由計(jì)算結(jié)果可以看出，煙氣在整個(gè)煙道中的流動(dòng)較為均勻。由圖13可以看出，煙道出口流速保持在10 m/s的范圍以?xún)?nèi)。

3.6 方案對(duì)比

根據(jù)相對(duì)均方根的計(jì)算公式，得到四種方案的出口截面的相對(duì)均方根如表2所示。相對(duì)均方根的值越小，代表速度分布越均勻。后三種方案均能有效降低出口截面的相對(duì)均方根，其中，方案二的改進(jìn)效果最明顯，同時(shí)，方案二較方案三、四來(lái)說(shuō)更容易實(shí)施，結(jié)合煙氣最高流速綜合比較，方案二為最優(yōu)方案。

表2RMS標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

使用CFD方法分析某電廠原導(dǎo)流板設(shè)置情況下流場(chǎng)分布，可以得出低低溫省煤器入口假管和管道的磨損原因?yàn)樵瓕?dǎo)流板設(shè)置不合理，造成低低溫省煤器入口流速分布不均，且局部流速過(guò)高，超過(guò)設(shè)計(jì)值，使得部分假管和管道吹損嚴(yán)重。

提出四種改進(jìn)方案，均能有效降低低低溫省煤器入口煙氣最高流速。但就均勻性來(lái)說(shuō)，方案一并未使出口煙氣速度分布與原導(dǎo)流板設(shè)置方案比更加均勻，而后三種方案均能使出口煙氣流速更加均勻，其中，方案二的改進(jìn)效果最明顯，同時(shí)，方案二較方案三、四來(lái)說(shuō)更容易實(shí)施，結(jié)合煙氣最高流速綜合比較，方案二為最優(yōu)方案。