省煤器輸灰管彎頭沖蝕磨損數(shù)值模擬研究

浙能電力股份有限公司臺(tái)州發(fā)電廠 劉 馳

某電廠省煤器倉(cāng)泵采用正壓濃相氣力輸灰方式，將省煤器沉積下的粉煤灰通過(guò)省煤器輸灰管輸送至干灰?guī)靸?nèi)。該氣力輸送管道在實(shí)際使用中頻頻被高速含灰氣流磨穿，壽命較短。一旦發(fā)生泄漏，破損處的泄料不僅會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的氣密性，影響裝置的正常工作，而且會(huì)對(duì)電廠的環(huán)境造成很大的污染。輸灰管線中屬?gòu)濐^處的氣固流管壁沖蝕最為嚴(yán)重，因此，為了提高彎頭的耐磨性能，必須要了解彎頭內(nèi)的氣固流動(dòng)及沖蝕磨損規(guī)律，再采取針對(duì)性的措施，使彎頭的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，對(duì)于磨損的研究，周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)尤為明顯。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以Fluent為代表的商用計(jì)算流體力學(xué)軟件可克服傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的上述缺點(diǎn)，利用該軟件進(jìn)行仿真模擬，可較方便并準(zhǔn)確地模擬出彎頭內(nèi)部的流場(chǎng)，可為彎頭磨損的深入研究提供幫助。

1 彎頭的磨損機(jī)理

氣固兩相流在通過(guò)彎頭時(shí)，大量的物料顆粒將會(huì)與管道內(nèi)壁表面接觸并作滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，形成摩擦磨損。隨著大量的物料繼續(xù)通過(guò)管壁表面，管壁表面將不斷產(chǎn)生出新的溝痕。由于磨損是物料與管壁摩擦撞擊造成的，所以物料速度愈高摩擦及撞擊的能量愈大，磨損也愈嚴(yán)重。另一方面，物料顆粒的沖擊也會(huì)造成彎頭表面材料的沖擊磨損。在輸送過(guò)程中，物料顆粒對(duì)彎頭內(nèi)壁表面持續(xù)不斷地沖擊，接觸應(yīng)力也隨之增加，當(dāng)超過(guò)表面材料的接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)便會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致管壁材料因疲勞破壞而剝落[1]。

2 彎頭數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

流動(dòng)在滿足能量方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程的基本控制方程外，還應(yīng)加上湍流模型、離散相模型、沖蝕磨損方程。

湍流模型方程。數(shù)值計(jì)算中，湍流模型的選擇需綜合考慮求解區(qū)域的復(fù)雜程度、流動(dòng)的主要特征及計(jì)算資源等因素。綜合考慮數(shù)值精度和計(jì)算條件，本文采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型，其適合完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬，它假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可忽略。該模型需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程。標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型的湍流動(dòng)能K和耗散率ε方程形式如下。式中：Cμ為模型常數(shù)；u為流體速度；K為湍流脈動(dòng)動(dòng)能；ε為湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率；ρ為流體密度；dp為顆粒直徑；g為重力加速度。

多相流模型。在氣固兩相流計(jì)算中多相流模型分為兩類：歐拉模型適合計(jì)算顆粒相較稠密的問(wèn)題；離散相模型適用于計(jì)算顆粒相對(duì)氣相較稀疏的問(wèn)題，其一般以顆粒的體積分?jǐn)?shù)是否大于10%為劃分界限。#7爐省煤器正壓氣力輸送的灰氣比為約為16，經(jīng)過(guò)折算顆粒的體積分?jǐn)?shù)為1.18%，故將固體顆粒作為離散相進(jìn)行建模。模型根據(jù)拉格朗日離散計(jì)算方法對(duì)離散相固體顆粒進(jìn)行計(jì)算，離散相固體顆粒的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。式中：up、u分別為離散的顆粒相和連續(xù)的流體相速度；CD為曳力系數(shù)；Rep為相對(duì)雷諾數(shù)；ρp、ρ分別為顆粒相和流體相的密度；dp為顆粒直徑；g為重力加速度。

沖蝕磨損模型。固體顆粒對(duì)管道壁面的沖蝕磨損速率如下式所示，式中：Rerosion為材料磨蝕速率；mp為顆粒質(zhì)量流率(單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某一截面的物質(zhì)質(zhì)量)；c(dp)為顆粒直徑dp的函數(shù)；f(α)為沖擊角α的函數(shù)；vb(u)為速度項(xiàng)。

針對(duì)球形顆粒的模型參數(shù)設(shè)定，其中b(u)=2.4，沖擊角函數(shù)為[2]。

2.2 流體物性及邊界條件

#7爐省煤器輸灰管彎頭規(guī)格為DN125耐磨彎頭，彎曲半徑R=700mm；根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，#7爐省煤器粉煤灰的密度約為1700kg/m3，粉煤灰的質(zhì)量流量約為3.6kg/s。根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)中對(duì)粉煤灰特性的研究，省煤器粉煤灰粘度1.72×10-5kg/m·s；粒度分布一般為20～400μm，并以約100μm為中心成正態(tài)分布，為簡(jiǎn)化計(jì)算此次取顆粒粒徑為100μm；#7爐省煤器正壓濃相氣力輸灰管線內(nèi)，其兩相流流速處在5～16m/s之間，為了研究?jī)上嗔魉俣葘?duì)彎頭磨損的影響，選取兩相流彎頭進(jìn)口入射速度工況分別為6m/s、9m/s、12m/s、15m/s；模擬計(jì)算中設(shè)定入口條件為Velocity inlet速度入口，出口條件為outflow充分發(fā)展出口，在求解過(guò)程中考慮湍流、等溫及穩(wěn)態(tài)條件。

2.3 不同入射速度下的彎頭磨損比較

本模擬采用SOLIDWORKS進(jìn)行三維建模，采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格編輯及生成。在數(shù)值模擬過(guò)程中，用離散、迭代、收斂的方法對(duì)流體的基本控制方程、湍流模型、離散相模型、沖蝕磨損模型方程進(jìn)行獨(dú)立求解，通過(guò)在Fluent中反復(fù)計(jì)算迭代保證算法收斂，得出了以下結(jié)果。

不同入射速度下的對(duì)彎頭沖蝕率分布云圖顯示，其中6m/s、9m/s、12m/s、15m/s的兩相流入射速度對(duì)應(yīng)的彎頭最大沖蝕率分別為4.58×10-4kg/m2·s、9.60×10-4kg/m2·s、1.74×10-3kg/m2·s、2.69×10-3kg/m2·s，可看出隨著入射速度的增加彎頭沖蝕磨損急劇增加。此外，顆粒的沖蝕作用主要集中在彎頭外側(cè)內(nèi)壁面，作用區(qū)域?qū)挾容^狹窄約為六分之一圓弧，周向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在彎頭不同角度的外側(cè)內(nèi)壁面均有分布，其最大磨損位置隨入射速度的增加，逐漸向彎頭入口處下移。

不同入射速度下的彎頭內(nèi)壁壓力云圖顯示，其 中6m/s、9m/s、12m/s、15m/s的 兩 相 流 入射速度對(duì)應(yīng)的彎頭內(nèi)壁壓力分別為1.13×102Pa、1.50×102Pa、1.98×102Pa、2.80×102Pa，隨著入射速度的增加彎頭內(nèi)壁壓力隨之增加，并近似呈線性關(guān)系。從圖中還可看出，壓力作用區(qū)域主要集中在彎頭外側(cè)內(nèi)壁面0～45°之間。而從不同入射速度下的顆粒軌跡圖可看出，在不同入射速度下顆粒軌跡分布基本一致，顆粒在彎頭內(nèi)的停留時(shí)間隨速度增加而減少。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)彎頭的磨損數(shù)值模擬可看出，氣固兩相流的入射速度彎頭磨損的影響有著十分顯著的影響，隨著輸送風(fēng)速的提高沖蝕率大幅增加。為提高彎頭使用壽命，首先可考慮通過(guò)增加輸灰管管徑、控制灰氣比等方式降低氣固兩相流的流速；其次可針對(duì)性的在輸灰管線末端流速較高的位置，應(yīng)用耐磨性能較好的彎頭。

物料顆粒對(duì)彎頭的磨損主要集中作用在彎頭外側(cè)內(nèi)壁區(qū)域，作用區(qū)域?qū)挾燃s為六分之一圓弧，周向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在彎頭不同角度的外側(cè)內(nèi)壁面均有分布，但其最大磨損位置隨入射速度的增加逐漸向彎頭入口處下移。對(duì)此可根據(jù)模擬結(jié)果在對(duì)應(yīng)區(qū)域加裝防磨罩或焊接襯板以提高彎頭耐磨性能；結(jié)合彎頭內(nèi)壁壓力分布和彎頭的磨損機(jī)理，可推斷在彎頭外側(cè)內(nèi)壁面0～45°區(qū)域主要以沖擊磨損為主，在內(nèi)壁面45～90°區(qū)域主要以摩擦磨損為主，為提高彎頭整體的耐磨性能，在彎頭制作過(guò)程中可考慮在對(duì)應(yīng)區(qū)域分別采用有較高接觸疲勞強(qiáng)度和有較好減摩性能的內(nèi)襯材料。