煙氣余熱鍋爐換熱段流體流動(dòng)數(shù)值模擬

張延豐， 杜 莉， 姚立影， 李 煌， 馬金偉， 張 杰，趙明明，王團(tuán)亮

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)石化股份有限公司 中原油田 普光分公司，河南 濮陽(yáng) 457001）

熱能是工業(yè)過(guò)程二次能源主要表現(xiàn)形式，工業(yè)過(guò)程中大量余熱被排放到大氣中，因此，采用先進(jìn)余熱回收與利用技術(shù)回收煙氣余熱具有十分重要的意義［1-2］。余熱鍋爐是一種大量使用的余熱回收設(shè)備，通過(guò)回收高溫余熱產(chǎn)生蒸汽，降低排煙溫度，有效提高了工業(yè)裝置能源利用率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，流體仿真技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用越來(lái)越廣。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)余熱鍋爐的流動(dòng)及傳熱機(jī)理進(jìn)行了仿真分析。Antonio Gomez等［3］確定了余熱鍋爐的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，并將數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型簡(jiǎn)化的合理性。周樟華等［4］將模型中的受熱部件做多孔介質(zhì)［5-6］簡(jiǎn)化處理，模擬了鍋爐內(nèi)煙氣的三維穩(wěn)態(tài)定常流動(dòng)。崔成云等［7］將受熱面簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)，阻力系數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)值人為給定，采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε湍流［8-11］模型對(duì)余熱鍋爐入口煙道流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析。

以往的研究將余熱鍋爐作為一個(gè)整體進(jìn)行模擬，存在計(jì)算周期長(zhǎng)和過(guò)度簡(jiǎn)化造成的失真問(wèn)題。筆者認(rèn)為煙氣余熱鍋爐雖然是一個(gè)整體，但其流體流動(dòng)換熱主要集中在換熱段。基于此，文中改用分段式處理方法將換熱段從余熱鍋爐整體中剝離出來(lái)，針對(duì)換熱段同時(shí)存在光管及翅片管的具體情況，逐一建立屏管和過(guò)熱段管束、蒸發(fā)段管束及省煤段管束的三維模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的數(shù)值模擬，研究余熱鍋爐內(nèi)煙氣流動(dòng)特性、流體流經(jīng)各換熱段的流場(chǎng)及壓力情況。

1 煙氣余熱鍋爐換熱段整體概況

1.1 結(jié)構(gòu)組成

普光天然氣凈化廠6套聯(lián)合裝置共計(jì)12臺(tái)廢尾氣焚燒爐余熱鍋爐，由意大利FBM/MACCHI公司設(shè)計(jì)和制造。該尾氣焚燒爐余熱鍋爐為煙道式結(jié)構(gòu)，采用水汽自然循環(huán)，由上汽包、下集箱及進(jìn)出口管箱組成。進(jìn)口設(shè)備存在造價(jià)高、交貨周期長(zhǎng)等問(wèn)題，并且在運(yùn)行中暴露出露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題，急需實(shí)現(xiàn)該余熱鍋爐的國(guó)產(chǎn)化研制。

煙氣余熱鍋爐換熱段（圖1）主要由屏管、過(guò)熱段、蒸發(fā)段及省煤段組成。過(guò)熱段分為3級(jí)，分別為一級(jí)過(guò)熱段、二級(jí)過(guò)熱段和三級(jí)過(guò)熱段，其中一級(jí)過(guò)熱段與二級(jí)過(guò)熱段為并聯(lián)布置。

圖1 煙氣余熱鍋爐換熱段結(jié)構(gòu)組成示圖

1.2 工作原理

煙氣余熱鍋爐工作時(shí)，高溫?zé)煔庥蓳Q熱段入口進(jìn)入，依次經(jīng)過(guò)屏管、三級(jí)過(guò)熱段、一級(jí)（二級(jí)）過(guò)熱段、蒸發(fā)段及省煤段后，由出口管箱流出，完成余熱回收。

1.3 流通截面

該煙氣余熱鍋爐外形尺寸為12m×3.6m×10m，煙氣進(jìn)口橫截面尺寸為3.6 m×3.6 m，出口橫截面尺寸為2.6 m×2.8 m。煙氣流經(jīng)屏管、三級(jí)過(guò)熱段、蒸發(fā)段的流通截面尺寸均為6.6 m×2.8 m，流經(jīng)一、二級(jí)過(guò)熱段的流通截面尺寸為3.3 m×2.8 m，流經(jīng)省煤段的流通截面尺寸為4.2 m×2.8 m。

1.4 管束特征

屏管管束、三級(jí)過(guò)熱段管束均為光管，其中屏管管束錯(cuò)列布置，三級(jí)過(guò)熱段管束順列布置。一級(jí)過(guò)熱段管束、二級(jí)過(guò)熱段管束結(jié)構(gòu)相同，均為翅片管［12］，順列布置，共4列。 蒸發(fā)段管束為翅片管，順列布置，共14列。省煤段管束為翅片管，順列布置，共3列。

2 煙氣余熱鍋爐換熱段流體流動(dòng)模擬

2.1 物理模型

煙氣余熱鍋爐換熱段管束三維模型見(jiàn)圖2～圖5。煙氣余熱鍋爐是一個(gè)整體，但其流體流動(dòng)換熱主要集中在換熱段。以往的研究將余熱鍋爐作為一個(gè)整體進(jìn)行模擬，存在計(jì)算周期長(zhǎng)和過(guò)度簡(jiǎn)化造成失真等問(wèn)題。

圖2 屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束三維模型

圖3 一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束三維模型

圖4 蒸發(fā)段管束三維模型

圖5 省煤段管束三維模型

2.2 邊界設(shè)置

采用ANSYS下的mesh模塊對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形式為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)翅片區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口。余熱鍋爐內(nèi)部煙氣的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，遵循連續(xù)介質(zhì)的一般動(dòng)力學(xué)定律，湍流運(yùn)動(dòng)中的各個(gè)物理量都是隨時(shí)間和空間變化的，流場(chǎng)中任一空間點(diǎn)上的流動(dòng)參數(shù)滿足黏性流體流動(dòng)的 Navier-Stokes 方程組［13-14］，本文采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型。

2.3 流體參數(shù)

煙氣余熱鍋爐換熱段流體物性及管束結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 計(jì)算方法

模擬軟件中提供了2種求解器，一種是適合不可壓縮流動(dòng)的分離求解器，它可順序地逐一求解各方程；另一種是適合可壓縮流動(dòng)的耦合式求解器，即同時(shí)求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程及組分輸運(yùn)方程的耦合方程組。本文研究的氣體流速低，故采用分離求解器求解。壓力-速度耦合采用SIMPLE方法，壁面為無(wú)滑移壁面［15］。

表1 煙氣余熱鍋爐換熱段物性及結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 煙氣余熱鍋爐換熱段管束模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束

針對(duì)圖2的屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

此模型中，屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束布置方式為正交。計(jì)算時(shí)，煙氣流經(jīng)屏管前端的溫度設(shè)置為630℃，煙氣流出三級(jí)過(guò)熱段管束的溫度設(shè)置為576℃，煙氣物性采用該換熱段的平均值。計(jì)算得到的壓力云圖、速度矢量云圖及速度流線圖見(jiàn)圖6～圖 8。

圖6 屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束壓力云圖

圖7 屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束速度矢量云圖

圖8 屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束速度流線圖

圖6為屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束壓力云圖，可以看出，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向，壓力逐漸減小，壓力在-5.3～16.6 Pa。同時(shí)可觀察到，橫向（煙氣流動(dòng)方向?yàn)榭v向）2排管之間的壓力大于換熱管正后方的壓力，這是因?yàn)檠責(zé)煔饬鲃?dòng)方向，由于受到換熱管束的阻擋作用，壓力逐漸減弱。經(jīng)計(jì)算，煙氣流經(jīng)屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束的總壓降為13.6 Pa。

圖7為屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束速度矢量云圖，從圖中可看出，2排換熱管橫向之間的速度明顯變大，煙氣在換熱管的背風(fēng)側(cè)形成流動(dòng)死區(qū)。這是因?yàn)楫?dāng)煙氣流經(jīng)換熱管束時(shí)，由于管束的存在，流通面積減小，速度變大，同時(shí)在換熱管束的背風(fēng)側(cè)形成流動(dòng)死區(qū)，速度為0～10 m/s。

圖8為屏管和三級(jí)過(guò)熱段管束速度流線圖，可觀察到粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，由于受到管束的干擾作用，粒子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化。

3.2 一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束

針對(duì)圖3的一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算。此模型中，一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段為并聯(lián)布置。煙氣同時(shí)經(jīng)過(guò)一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段。煙氣流經(jīng)一級(jí)和二級(jí)換熱段前端溫度為576℃，流出溫度為409℃，煙氣物性采用該換熱段的平均值。計(jì)算得到的一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束壓力云圖、速度矢量云圖及速度流線圖見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束壓力云圖

圖10 一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束速度矢量云圖

圖11 一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束速度流線圖

圖9為一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束壓力云圖，分析圖9可知，沿著煙氣的流動(dòng)方向，壓力逐漸減小，壓力在 -89.6～4.54 Pa，相比于屏管及三級(jí)過(guò)熱段，壓降變化更大。這是因?yàn)樵摀Q熱管為翅片管，相比于光管壓降損失更大。經(jīng)計(jì)算，煙氣流經(jīng)一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束的總壓降為70 Pa。

圖10為一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束速度矢量云圖，從圖中可看出，流速較大的位置主要集中在2排換熱管的正中間，管束背風(fēng)側(cè)存在一定的流動(dòng)死區(qū)，但相較于屏管及三級(jí)換熱段管束，死區(qū)面積明顯減小。這主要是因?yàn)橐患?jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束同一排兩相鄰的換熱管距離較遠(yuǎn)，后面換熱管對(duì)前面換熱管的阻力作用減弱。

圖11為一級(jí)和二級(jí)過(guò)熱段管束速度流線圖，從圖中可以看出，煙氣在流經(jīng)翅片管束時(shí)，在換熱管的前端翅片部分未有煙氣流過(guò)，煙氣由前端流入，經(jīng)上、下端流出。

3.3 蒸發(fā)段管束

針對(duì)圖4的蒸發(fā)段管束三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算。此模型中，蒸發(fā)段管束為翅片管，管列數(shù)為14。計(jì)算時(shí)，煙氣流入蒸發(fā)段管束前端溫度為409℃，換熱后流出溫度為256℃，煙氣物性采用該換熱段的平均值。計(jì)算得到的蒸發(fā)段管束的壓力云圖、速度矢量云圖及速度流線圖見(jiàn)圖12～圖 14。

圖12 蒸發(fā)段管束壓力云圖

圖13 蒸發(fā)段管束速度矢量云圖

圖14 蒸發(fā)段管束速度流線圖

圖12為蒸發(fā)段管束壓力云圖，分析圖12可知，沿著煙氣的流動(dòng)方向，壓力逐漸減小，壓力為0～10.2 Pa。經(jīng)計(jì)算，煙氣流經(jīng)蒸發(fā)段管束的總壓降為 234 Pa。

圖13為蒸發(fā)段管束速度矢量云圖，分析圖13可知，煙氣在流經(jīng)蒸發(fā)段管束時(shí)，在管束背風(fēng)側(cè)形成流動(dòng)死區(qū)，且沿著流動(dòng)方向，流體的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，管束背風(fēng)側(cè)流動(dòng)死區(qū)逐漸減小，2排換熱管束間隙的流速也相應(yīng)減小。這是因?yàn)楣苁g距較小，煙氣大部分從管束的上部及下部流出，換熱管中心區(qū)域流動(dòng)阻力較大，煙氣通過(guò)量很小。

圖14為蒸發(fā)段管束速度流線圖，煙氣流經(jīng)翅片管時(shí)，在翅片管的前端及后端形成流動(dòng)死區(qū)，大部分煙氣經(jīng)翅片管的上部及下部流出。

3.4 省煤段管束

針對(duì)圖5的省煤段管束三維模型進(jìn)行模擬計(jì)算。此模型中，省煤段管束共有3列，換熱管為翅片管。煙氣流入省煤段前端溫度為256℃，流出溫度為229℃，煙氣物性采用該換熱段的平均值。計(jì)算得到的省煤段管束的壓力云圖、速度矢量云圖及速度流線圖見(jiàn)圖15～圖17。

圖15 省煤段管束壓力云圖

圖16 省煤段管束速度矢量云圖

圖17 省煤段管束速度流線圖

圖15為省煤段管束壓力云圖，從圖15可以看出，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向，壓力逐漸減小，壓力為2.4～569 Pa。

圖16為省煤段管束速度矢量云圖，同前面幾個(gè)換熱段有明顯的不同，煙氣最大流速不是出現(xiàn)在2排換熱管之間，而是出現(xiàn)在管束的背風(fēng)側(cè)，并且沿著煙氣的流動(dòng)方向，管束背風(fēng)側(cè)流速逐漸增大。

圖17為省煤段管束速度流線圖，從流線圖中可以看出，造成該現(xiàn)象的主要原因是在翅片管的后上方及后下方出現(xiàn)漩渦，導(dǎo)致2排換熱管之間的流速減小，大部分煙氣經(jīng)翅片管流過(guò)，并在換熱管背風(fēng)側(cè)速度達(dá)到最大。由于省煤段管束流通截面積減小，流速增大，且溫度較低，故密度、黏度增大。經(jīng)計(jì)算，煙氣流經(jīng)省煤段管束的總壓降為 560 Pa。

3.5 總壓降比較

經(jīng)模擬計(jì)算，煙氣流經(jīng)屏管及三級(jí)過(guò)熱段換熱管束的壓降為13.6 Pa，流經(jīng)一級(jí)、二級(jí)過(guò)熱段換熱管束的壓降為70 Pa，流經(jīng)蒸發(fā)段的壓降為234 Pa，流經(jīng)省煤段的壓降為 560 Pa，煙氣由入口到出口合計(jì)壓降為877.6 Pa。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用DCS系統(tǒng)采集到的煙氣入口壓力為-1.1 kPa，出口壓力為-0.3 kPa，計(jì)算壓降為800 Pa。比較模擬壓降值與實(shí)際壓降值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用的誤差為9.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)值分析軟件進(jìn)行了煙氣余熱鍋爐換熱段流體流動(dòng)特性的數(shù)值模擬計(jì)算。模擬結(jié)果表明，當(dāng)同排換熱管間距較小時(shí)，流經(jīng)翅片管的煙氣流速較小，當(dāng)增大同排換熱管間距時(shí)，背風(fēng)側(cè)流動(dòng)死區(qū)明顯減小。當(dāng)相鄰2排換熱管之間間距較小時(shí)，沿著流動(dòng)方向，管束背風(fēng)側(cè)流動(dòng)死區(qū)逐漸減小，煙氣流經(jīng)翅片管區(qū)域的速度逐漸增大，且在末端流動(dòng)出現(xiàn)漩渦。當(dāng)相鄰2排換熱管之間間距較大時(shí)，煙氣最大流速出現(xiàn)在管束的背風(fēng)側(cè)，同時(shí)在翅片管的后上方及后下方出現(xiàn)漩渦，大部分煙氣從翅片管中心區(qū)流過(guò)。在進(jìn)行管束布置時(shí)，要綜合考慮管束的布置方式，以最大限度提高換熱效率并減小壓降。