H型翅片管阻力系數(shù)變化規(guī)律的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)*

彭紅文 杜玉穎，，3 孫永斌 呂俊復(fù) 陳 玉 談琪英 劉 闖 侯全輝

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，100120 北京；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100012 北京；3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，100012 北京)

0 引 言

煙氣冷卻器(包含省煤器)多用于鍋爐煙氣余熱利用，也作為煙氣凈化輔助設(shè)備用于大氣污染物排放的協(xié)同控制[1-3]，因而應(yīng)用廣泛。在中國(guó)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃中，煙氣冷卻作為火電廠煙氣綜合優(yōu)化系統(tǒng)余熱深度回收技術(shù)，是節(jié)能重點(diǎn)領(lǐng)域及重點(diǎn)推薦的新技術(shù)之一[4]。HJ 2020-2012《袋式除塵工程通用技術(shù)規(guī)范》中建議高溫?zé)煔饨禍乩鋮s應(yīng)充分考慮余熱回收利用，煙氣溫度超溫時(shí)，袋式除塵器前可設(shè)置煙氣冷卻器。意大利TEF BIGCC示范電廠采用煙氣冷卻器對(duì)常壓循環(huán)流化床氣化爐產(chǎn)氣進(jìn)行冷卻[5]。此外，油田含油污泥焚燒處理工藝的尾氣處理系統(tǒng)[6]、沖天爐煙氣凈化回收[7]、轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收[8]等皆會(huì)應(yīng)用煙氣冷卻器。

2015年環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)及國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，各地大力實(shí)施超低排放和節(jié)能改造。低低溫電除塵通過(guò)在靜電除塵器前增設(shè)低溫省煤器，可以降低煙氣溫度，實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物、SO3和Hg的協(xié)同脫除[9-10]，是我國(guó)燃煤電廠節(jié)能減排改造的主要技術(shù)路線之一。省煤器管束結(jié)構(gòu)決定管外流動(dòng)和傳熱特性[11]。省煤器的節(jié)能減排效果受流場(chǎng)均勻性[12]和煙氣流量[13]等因素影響。高溫省煤器煙氣流場(chǎng)會(huì)影響SCR進(jìn)口煙氣條件進(jìn)而影響其脫硝效果[14-15]。煙氣流場(chǎng)不均導(dǎo)致的飛灰濃度分布不均會(huì)引發(fā)積灰和磨損等問(wèn)題[16-17]。省煤器的煙氣阻力特性還關(guān)系到引風(fēng)機(jī)的出力匹配，其阻力的計(jì)算決定了引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)的選型、燃煤機(jī)組煙氣系統(tǒng)運(yùn)行及其費(fèi)用。燃煤電站煙氣橫掠管束阻力計(jì)算，采用與一般慣性阻力相同的計(jì)算公式，其中，翅片管阻力系數(shù)與煙氣流動(dòng)的雷諾數(shù)相關(guān)[18]，煙氣冷卻器的管徑、管間距、管數(shù)、翅片型式和翅片管布置方式等都會(huì)影響阻力系數(shù)。傳統(tǒng)的煙氣冷卻器阻力系數(shù)計(jì)算方法采用大量經(jīng)驗(yàn)公式，以考慮以上因素對(duì)煙氣冷卻器阻力系數(shù)的影響。但經(jīng)驗(yàn)公式多以空氣為測(cè)試流體而獲得，雷諾數(shù)取值范圍寬，存在一定程度的偏差[19-20]。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬方法可以更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行條件對(duì)煙氣流場(chǎng)的影響[21]，輔助煙氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

本研究提出一種基于翅片管流場(chǎng)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)煙氣冷卻器阻力系數(shù)的方法，應(yīng)用實(shí)際煙氣流體條件，對(duì)某燃煤電站高阻力煙氣冷卻器展開(kāi)針對(duì)性的翅片管束流場(chǎng)模擬，以預(yù)測(cè)煙氣冷卻器阻力系數(shù)，輔助復(fù)雜煙氣流場(chǎng)條件下煙氣冷卻器管外阻力的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

H型翅片管省煤器因結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱性能好、防磨抗污[22]且翅片加工難度較低[23]，2002年之后在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用[24]。為研究煙氣冷卻器煙氣側(cè)阻力系數(shù)隨管束行列數(shù)變化的規(guī)律，以某燃煤電站高阻力煙氣冷卻器順列H型翅片管束為模擬對(duì)象。燃煤電站煙氣冷卻器幾何模型如圖1所示。

圖1 燃煤電站煙氣冷卻器幾何模型

翅片管束置于水平直煙道內(nèi)，定義煙道進(jìn)口和出口面分別為inlet和outlet，定義翅片煙道進(jìn)口和出口段與翅片管區(qū)之間界面分別為F1和F2；煙道被翅片分隔為4條通道，定義迎來(lái)流方向右二通道的中心截面為X截面，方便流場(chǎng)分析。

翅片管束幾何模型選取與實(shí)際相同的尺寸，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 H型翅片管束參數(shù)(mm)

在有限計(jì)算機(jī)軟硬件條件下，既要控制網(wǎng)格數(shù)量，又要考慮計(jì)算的精確性，翅片管幾何模型長(zhǎng)度取61.2 mm，其中包含3片H型翅片。翅片管的縱向和橫向相對(duì)節(jié)距相同，皆為S/D=2.67。煙道區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，翅片管區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

按單行單列、單行多列和多行單列的順列方式，分別建立翅片管束幾何模型(如圖2所示)。建模時(shí)，選取首行首列翅片管圓柱中心為原點(diǎn)。

圖2 不同行列數(shù)翅片管順列布置幾何模型

為更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)阻力系數(shù)隨翅片管行列數(shù)變化的趨勢(shì)，翅片管行(列)數(shù)最高取至6，共包含1行1列(1R1S)、1行2列(1R2S)、1行3列(1R3S)、1行4列(1R4S)、1行5列(1R5S)、1行6列(1R6S)、2行1列(2R1S)、3行1列(3R1S)、4行1列(4R1S)、5行1列(5R1S)和6行1列(6R1S)十一種翅片管管束模型。不同行列數(shù)翅片管的網(wǎng)格數(shù)量在163 403～961 685之間。

1.2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

對(duì)于燃煤電站煙氣冷卻器，煙氣橫掠翅片管束時(shí)，可假定為不可壓縮流體、穩(wěn)態(tài)，換熱引起的煙氣量變化較小可忽略不計(jì)，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為：

(1)

(2)

式中：ui和uj分別為沿i和j方向的煙氣流速(i,j=x,y,z)，m/s；fi為沿i方向的質(zhì)量力，m/s2；ρ為煙氣密度，kg/m2；p為平均靜壓，Pa；v為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；vi為渦黏性系數(shù)，m2/s。

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。由于煙氣冷卻器翅片管束的流場(chǎng)模擬不涉及化學(xué)反應(yīng)，選取V(N2)∶V(O2)為79∶21的混合物為模擬煙氣，并依據(jù)煙氣冷卻器運(yùn)行溫度窗口(129.8 ℃)，設(shè)定煙氣的物性參數(shù)：密度為0.9 kg/m3，動(dòng)力黏度為2.29×10-5Pa·s，為分析煙氣冷卻器翅片管束阻力與煙氣來(lái)流速度的關(guān)系，根據(jù)該燃煤電站不同運(yùn)行負(fù)荷下煙氣量，選取8種煙氣來(lái)流速度[15.05 m/s，14.33 m/s(BMCR，鍋爐最大連續(xù)出力工況)，12.18 m/s，10.75 m/s，9.31 m/s，7.17 m/s，5.02 m/s，2.87 m/s]，流速在進(jìn)口均勻分布，煙道出口靜壓為0 Pa。翅片管的管與翅片的材質(zhì)均為ND鋼(耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼)，殼體材料為考頓鋼，材質(zhì)表面的粗糙度參數(shù)設(shè)置為：粗糙度厚度(roughness height)0.000 5 m，粗糙度常數(shù)(roughness constant)0.5。湍流模型選用k-ε雙方程模型，湍流強(qiáng)度和湍流尺度根據(jù)煙道進(jìn)出口型式及煙氣流速計(jì)算。

1.3 流動(dòng)阻力

煙氣橫掠翅片管時(shí)的流動(dòng)阻力主要由多種慣性阻力和黏性阻力構(gòu)成。

1.3.1 黏性阻力

黏性阻力，又稱(chēng)為沿程阻力或摩擦阻力。黏性阻力可以表達(dá)為：

(3)

式中：μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；1/αij為黏性阻力系數(shù)，1/m2；Δni為沿程厚度，m。

1.3.2 慣性阻力

慣性阻力，又稱(chēng)為局部阻力。慣性阻力可以表達(dá)為：

(4)

式中：C2ij為慣性阻力系數(shù)，1/m；|u|為煙氣流速的絕對(duì)值，m/s。

結(jié)合翅片管束阻力與煙氣流速的關(guān)系，可擬合翅片管束在煙氣來(lái)流方向上的阻力系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同行列數(shù)翅片管束流場(chǎng)

對(duì)單行單列、單行多列和多行單列等11種順列布置翅片管束，分別在不同煙氣來(lái)流速度下進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬。

以BMCR工況為例，圖3和圖4所示分別為煙氣橫掠單行單列、單行多列和多行單列翅片管束在X截面上的速度與靜壓分布。其中：速度或壓力標(biāo)量隨紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫等色相的變化而降低，圖中給出了速度(m/s)和壓力(Pa)的變化范圍。

由圖3和圖4可以看出，在被翅片分隔開(kāi)來(lái)的煙氣通道中，煙氣繞過(guò)圓柱管束，在接觸圓柱表面前半柱面時(shí)，沿柱面是增速降壓流動(dòng)(體積流量=橫截面積×流速，隨著圓柱面增大，圓柱面與煙道通道間橫截面積減小，體積流量不變的情況下，流速增加；同時(shí)，根據(jù)伯努利方程，流速增加，壓力降低)；進(jìn)入后半柱面時(shí)，煙氣做減速增壓流動(dòng)，邊界層開(kāi)始脫離柱面并在柱面附近出現(xiàn)回流，形成漩渦，并向下游發(fā)展。對(duì)于單行多列管束，下游管束處于上游管束的尾跡區(qū)內(nèi)。渦流導(dǎo)致了較高的阻力損失或者能量損失。

圖3 不同行列數(shù)翅片管BMCR工況下X截面上速度矢量場(chǎng)云圖

圖4 不同行列數(shù)翅片管BMCR工況下X截面上靜壓分布

2.2 不同行列數(shù)翅片管束阻力特性

不同行列數(shù)翅片管束阻力隨煙氣流速變化的曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，對(duì)于單行單列、單行多列和多行單列的不同行列數(shù)翅片管束，其流動(dòng)阻力皆隨煙氣來(lái)流速度的增大而增大；隨著翅片管列數(shù)的增加，翅片管束阻力呈明顯上升趨勢(shì)，其上升趨勢(shì)隨翅片管束列數(shù)的增加而逐漸變緩。這是由于在本案例的Re(雷諾數(shù))與S/D范圍內(nèi)，位于煙氣流下游的管束受到上游管束尾跡的影響，下游管束慣性阻力有所降低，減少了能量損失。

圖5 不同行列數(shù)翅片管束阻力隨煙氣流速變化曲線

2.3 不同行列數(shù)翅片管阻力系數(shù)

將表2中不同行列數(shù)翅片管束在沿?zé)煔鈦?lái)流方向上的黏性和慣性阻力系數(shù)，分別代入式(3)和式(4)，計(jì)算黏性阻力和慣性阻力可知，慣性阻力占總流動(dòng)阻力的90%以上，不同行列數(shù)翅片管束壓降主要由慣性阻力引起。不論是從縱向還是橫向增加翅片管數(shù)，翅片管束的慣性阻力系數(shù)都呈下降趨勢(shì)。

表2 不同行列數(shù)翅片管束在沿?zé)煔鈦?lái)流方向上的阻力系數(shù)

2.4 煙氣冷卻器阻力系數(shù)預(yù)測(cè)

圖6所示為慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)隨翅片管束行列數(shù)變化的趨勢(shì)。由圖6可以看出，翅片管數(shù)小于4時(shí)，慣性阻力系數(shù)隨著管數(shù)增加而降低的幅度較大；翅片管數(shù)大于4時(shí)，慣性阻力系數(shù)隨著管數(shù)增加而降低的幅度變緩。

圖6 翅片管束阻力系數(shù)隨行列數(shù)的變化趨勢(shì)

根據(jù)翅片管束阻力系數(shù)隨行列數(shù)變化的趨勢(shì)，擬合單行多列翅片管束慣性阻力系數(shù)與管數(shù)x的關(guān)系為y=12.349x-0.096，R2=0.911 8；多行單列翅片管束慣性阻力系數(shù)y與管數(shù)x的關(guān)系為y=12.423x-0.103，R2=0.953 8。

該燃煤電站煙氣冷卻器前一級(jí)每個(gè)模塊單行布置16根管，后一級(jí)每個(gè)模塊單行布置12根管，前后兩級(jí)每個(gè)模塊單列布置16根管(如圖1所示)。根據(jù)單行多列翅片管束阻力系數(shù)與管數(shù)的關(guān)系式y(tǒng)=12.349x-0.096，得到單行16根翅片管束的慣性阻力系數(shù)為9.46 m-1，單行12根翅片管束的慣性阻力系數(shù)為9.73 m-1；根據(jù)多行單列翅片管束阻力系數(shù)與管數(shù)的關(guān)系式y(tǒng)=12.423x-0.103，單列16根管束的慣性阻力系數(shù)為9.34 m-1。結(jié)合單行單列翅片管慣性阻力系數(shù)12.64 m-1，線性插值得到煙氣冷卻器前一級(jí)(16行16列)的慣性阻力系數(shù)為：

y=9.46/12.64×9.34 m-1=6.99 m-1

后一級(jí)(16行12列)的慣性阻力系數(shù)為：

y=9.73/12.64×9.34 m-1=7.18 m-1

本研究得到的慣性阻力系數(shù)應(yīng)用到實(shí)際煙道布置煙氣冷卻器的模擬計(jì)算中，對(duì)某燃煤電站BMCR工況下煙氣冷卻器煙道布置阻力特性進(jìn)行模擬研究表明，翅片管結(jié)構(gòu)是形成該燃煤電站煙氣冷卻器阻力的主要因素之一，不同煙道型式煙氣冷卻器阻力為1 196.54 Pa～1 338.33 Pa，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差約為-4.41%，能較好滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)需求[25]。

3 結(jié) 論

1)不同行列數(shù)翅片管束壓降主要由慣性阻力引起。隨著翅片管列數(shù)的增加，翅片管束阻力呈明顯上升趨勢(shì)。

2)不論是縱向還是橫向增加翅片管數(shù)，慣性阻力系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，翅片管數(shù)大于4時(shí)，慣性阻力系數(shù)下降趨勢(shì)變緩。

3)利用本研究提出的方法預(yù)測(cè)阻力系數(shù)，可以較好地輔助煙氣冷卻器的阻力設(shè)計(jì)計(jì)算。