吹灰蒸汽參數對爐管近壁壓力場與溫度場的影響

劉張鵬，甄宏偉，李相超

(華電國際鄒縣發電廠，山東 鄒城 273522)

1 吹灰器配備狀況

鍋爐內受熱面積灰，是一個經常困擾火力發電企業的難題。積灰過多會帶來一系列的問題:如爐壁和其他熱交換部件上的灰渣，會導致受熱面傳熱惡化、受熱面受熱不均、灰渣掉落損壞設備等。而吹灰器是解決這一棘手問題并保證鍋爐安全、可靠、經濟運行的一種有效手段。目前，華電國際鄒縣發電廠運行的8臺機組(一期/二期4臺335 MW機組、三期2臺600MW機組、四期2臺1000MW機組)均配備了吹灰器。其中，爐側受熱面吹灰器經過歷年檢修和技術改造，絕大部分已更換為蒸汽吹灰器。機組蒸汽吹灰器配備具體情況［1－3］見表1。其中，三期、四期吹灰器全部為蒸汽吹灰器，一期、二期大部分為蒸汽吹灰器。

表1 全廠各單元機組蒸汽吹灰器配備情況

2 存在的問題

蒸汽吹灰器存在很多優點:可以布置在鍋爐各個部位，能對爐膛、水平煙道、尾部豎井的受熱面進行吹灰;對結渣性較強、灰熔點低和黏度較大的灰有較明顯效果;蒸汽來源比較充分。

盡管蒸汽吹灰器的優點很多，但其存在的問題也是不可忽略的。由于蒸汽吹灰是靠射流吹灰，因此，介質吹掃面積有限;由于蒸汽吹灰器是將噴管深入爐膛進行旋轉吹灰，吹灰完畢要將噴管撤出，活動部件非常多，這就造成吹灰器操作頻繁且故障率高，機械、電氣維護和檢修量大;工作介質損耗量大，運行成本高;吹灰周期長，受熱面積灰過多，甚至導致積灰燒結硬化，增加吹灰難度;蒸汽吹灰如果壓力過高或長期使用，會加快金屬管壁的磨損，壓力過低又影響吹灰效果;蒸汽疏水效果差時，還會對受熱面的金屬管壁造成熱沖擊，使吹灰管線水擊和腐蝕;價格昂貴;蒸汽吹灰器的使用，會增大煙氣中的含濕量，使煙氣露點溫度升高，從而增大省煤器冷端堵灰及腐蝕現象。

2.1 #2機組2009年大修情況

2.1.1#2鍋爐低溫過熱器管吹損

#2鍋爐低溫過熱器管道吹損情況如圖1所示。

圖1 #2鍋爐低溫過熱器管道吹損情況

缺陷描述:吹灰器通道部分低溫過熱器管(規格? 51 mm×7 mm，材質20 g鋼)有不同程度的吹損，特別是L19/L43，L22/L46吹灰器通道上部管子吹損減薄明顯，厚度為5.6 mm以下的管子共161根，其中5.0mm以下的99根;部分管子管道支架處吹損出現凹坑;部分管子防磨瓦吹透，受熱面管子吹損;部分管子防磨瓦接縫處吹損出現溝槽;L11/L35吹灰器通道西數第1排、第3排北側南數第1根管子吹損超標，測量厚度為4.9 mm。

原因分析:L19/L43，L22/L46吹灰器通道上部管子無防磨瓦，L11/L35吹灰器通道西數第1排北側南數第1根管子防磨瓦脫落，吹灰器長期吹掃導致管壁減薄;防磨瓦接口縫隙過大，導致吹灰蒸汽吹損管排。

2.1.2#2鍋爐中溫再熱器管磨損

缺陷描述:中溫再熱器汽冷橫向定位管靠近東側墻處上數第2個彎頭(規格? 51 mm×8 mm，材質102鋼)有磨損現象，測量厚度為5.5mm，磨損超標。

原因分析:汽冷橫向定位管彎頭處防磨瓦下滑，導致管壁受吹灰蒸汽吹損。

2.2 #8機組大修記錄情況

#8鍋爐受熱面管道吹損情況如圖2所示。

圖2 #8鍋爐受熱面管道吹損情況

存在的問題:受熱面部分防磨瓦存在偏轉、脫落現象，距吹灰器較近的部分管子未加防磨瓦，其中低溫再熱器R18/L18吹灰器通道上、下管卡部位管子(規格 ? 57mm ×4.2mm，材質 SA －209T1a)存在不同程度的吹損減薄現象，測量厚度為3.0～4.0mm。

原因分析:因管卡部位未加裝防磨瓦，長期受吹灰器吹損。

3 物理模型的建立

雖然受熱面加裝防磨瓦可以避免吹灰器吹損受熱面，但同樣存在著一系列問題:如受熱面傳熱惡化、受熱面受熱不均帶來的應力問題以及加裝防磨瓦所要付出的人力和財力問題等。所以，作者引進一種數值模擬的方法來具體分析吹灰器蒸汽參數對爐膛受熱面管段應力特性和溫度特性的影響，以便合理控制吹灰器蒸汽參數，間接控制爐膛受熱面管段的吹損和維護。

根據實際爐膛內受熱面管段和臨近蒸汽吹灰器之間的相對位置關系，特設定建?？臻g為1個2000 mm×2000 mm×2 000 mm立體空間。1根? 50 mm的受熱面管段從模擬空間中間穿過，在與管段平行的面的中心有1個蒸汽吹灰器噴嘴，噴嘴尺寸為? 25 mm;入口蒸汽壓力為 1.5 MPa、蒸汽流量為4 kg/s、入口蒸汽溫度為600K、受熱面管段所處環境溫度為1 273 K、受熱面管段所處環境壓強為0.1 MPa;受熱面假定噴嘴噴出的蒸汽只在與管段平行的其他3組平面流出，沿管段軸向方向在假定空間無溢出。為了便于采用數值模擬軟件計算受熱面短管管壁附近的壓力場和溫度場，作者將此空間作為研究對象，采用GAMBIT 2.2.30進行了空間細化，亦稱為網格的創建。圖3為模擬空間相對位置關系，圖4為模擬空間網格創建情況。

4 數值計算模型求解過程［4－6］

FLUENT這一工程設計與分析軟件，在多物理場方面的模擬能力使其應用范圍非常廣泛，是目前功能最全的計算流體力學CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件。

計算模型參數設置如下:

(1)湍流模型:均為RNG k－ε模型，水力半徑為 0.025 m。

(2)操作環境:環境氣壓為0.1 MPa。

(3)邊界條件:介質流量，40kg/s;環境溫度，1273 K。

(4)求解器和離散格式:速度壓力耦合方式都是SIMPLE算法;離散格式都是一階迎風格式。

4.1 介質入口溫度恒定為600K，介質入口壓力對研究對象(受熱面短管)附近壓力場和溫度場的影響

4.1.1 受熱面短管周圍壓力場隨噴嘴蒸汽壓力的變化

本文僅以4種工況為代表，具體分析壓力場隨噴嘴蒸汽壓力的變化。垂直受熱面管段穿過噴嘴中心的平面等壓線局部截圖如圖5所示。

從圖5可以看出:隨著吹灰蒸汽壓力的升高，受熱面短管迎風面附近等壓線逐漸密集，壓力梯度急劇增加，說明受熱面短管迎風面受力隨吹灰蒸汽壓力升高而急劇增大;另一方面，受熱面短管背風面蒸汽擾動隨吹灰蒸汽壓力增大而增大，說明受熱面短管背風面受力亦隨吹灰蒸汽壓力增大而增大。二者綜合作用于受熱面短管上的力難以從截圖上直觀反映出來，所以，還要看受熱面短管的具體受力情況。經過整理，受熱面短管受力與吹灰蒸汽壓力的關系見表2。

受熱面短管受力與吹灰蒸汽壓力關系如圖6所示，從圖6可以大致看出，受熱面短管受力隨吹灰蒸汽壓力的升高先減小后逐漸增大。受力最低點大約位于壓力為1.20 MPa的位置。

4.1.2 溫度場隨噴嘴蒸汽壓力的變化

本文僅以4種工況為代表，具體對比分析溫度場隨噴嘴蒸汽壓力的變化。垂直受熱面管段穿過噴嘴中心的平面等溫線局部截圖如圖7所示。

表2 受熱面短管受力與吹灰蒸汽壓力關系

從圖7可以看出:受熱面短管壁面附近等溫線隨吹灰蒸汽壓力的升高，先逐漸變稀后逐漸變密，溫度梯度先逐漸減低后逐漸增大(環境溫度為1273 K，相當于溫度從模擬空間壁面向受熱面短管壁面逐漸減低)，這說明受熱面短管壁面附近溫度隨吹灰蒸汽壓力升高先增加后降低。

取正對吹灰器噴嘴的中心、受熱面短管迎風面正前方1mm處的點(相當于模擬空間中點(0.026m，0，0))為研究對象(亦即代表受熱面短管壁溫)。經過整理，該點溫度值與吹灰蒸汽壓力的關系見表3。

表3 點(0.026 m，0，0)溫度與吹灰蒸汽壓力關系

該點溫度值與吹灰蒸汽壓力的關系如圖8所示，從圖8可以看出，受熱面短管壁面附近溫度隨吹灰蒸汽壓力的升高先增大后逐漸降低，溫度最高點大約位于壓力為1.5 MPa的位置。這雖然解決了吹灰器噴出的蒸汽溫度低于爐膛煙氣溫度而導致受熱面短管應力不均的問題，但同時也帶來了另外一個問題，即受熱面管道在如此高的溫度下依然受到近乎最大的沖刷力，金屬磨損問題在所難免。

綜合上述2種情況的分析可以看出，吹灰器廠家所設計的吹灰蒸汽壓力參數值并非完美。所以，作者下一步要進行的工作是找出一種理想工況，在這種工況下，受熱面短管附近溫度值低于金屬軟化溫度，并且受熱面短管壁面附近吹灰蒸汽擾動量盡量最大。

4.2 介質入口壓力恒定為1.5 MPa，介質入口溫度對研究對象(受熱面短管)附近壓力場和溫度場的影響

4.2.1 壓力場隨噴嘴蒸汽溫度的變化

本文僅以2種工況為代表，具體對比分析受熱面短管附近壓力場隨吹灰蒸汽溫度的變化。垂直受熱面管段穿過噴嘴中心的平面等壓線局部截圖如圖9所示。

從圖9可以看出，受熱面短管附近壓力場隨吹灰蒸汽溫度變化不大，吹灰蒸汽溫度對受熱面短管壁面附近壓力影響不大。

4.2.2 溫度場隨噴嘴蒸汽溫度的變化

本文僅以4種工況為代表，具體對比分析溫度場隨噴嘴蒸汽壓力變化關系。垂直受熱面管段穿過噴嘴中心的平面等溫線局部截圖如圖10所示。

從圖10可以看出:受熱面短管壁面附近等溫線隨吹灰蒸汽溫度的升高而逐漸變稀疏，溫度梯度逐漸減低(環境溫度為1 273 K，相當于溫度從模擬空間壁面向受熱面短管壁面逐漸減低)，說明受熱面短管壁面附近溫度隨吹灰蒸汽壓力的升高而升高。

取正對吹灰器噴嘴的中心、受熱面短管迎風面正前方1mm處的點(相當于模擬空間中點(0.026m，0，0))為研究對象(亦即代表受熱面短管壁溫)。經過整理，該點的溫度值與吹灰蒸汽壓力的關系見表4。

表4 點(0.026 m，0，0)溫度與吹灰蒸汽溫度關系 K

該點溫度值與吹灰蒸汽溫度的關系如圖11所示，從圖11可以看出，受熱面短管壁面附近溫度隨吹灰蒸汽溫度的升高而逐漸升高。并且受熱面短管壁面附近溫度與吹灰蒸汽溫度在所研究的范圍內大致成正比例關系。

5 不足之處［7－9］

(1)本文建立的模型為理想狀態下的模型，并未考慮到爐膛高速煙氣的影響以及受熱面管排晃動的問題。

(2)本文建立的模型為靜噴嘴，實際的噴嘴為旋轉噴嘴，模型之間必定存在誤差。

(3)本文建立的模型為一種特定規格的吹灰器模型，適用范圍很有限。

(4)本文研究的吹灰蒸汽的參數范圍很窄，而且未找到既能對該規格吹灰器受熱面起到很好的吹灰作用，又不吹損金屬管道的最佳蒸汽參數。

［1］Q/101 －104.6—2005，335 MW 機組鍋爐檢修規程［S］.

［2］Q/101 －104.07—2003，600 MW機組鍋爐檢修規程［S］.

［3］Q/101 －104.21—2006，1000MW 機組鍋爐檢修規程［S］.

［4］趙玉新.FLUENT中文全教程［M］.長沙:國防科技大學出版社，2003.

［5］周謨仁.流體力學:泵與風機［M］.北京:中國建筑工業出版，1979.

［6］A.Johansson，A.Medvedev.Model－ based Leakage Detection in a Pulverized Coal Injection Vessel［J］.IEEE Transactions Control System Technology，1999，7(11):675－682.

［7］吳曉洲.吹灰器控制系統改造［J］.華電技術，2009，31(1):50－52.

［8］包平浪.火力發電廠600 MW機組干除灰系統設計方案優化［J］.華電技術，2009，31(10):24 －26.

［9］劉小川.600 MW亞臨界機組除灰系統故障處理與優化［J］.華電技術，2009，31(4):53 －56.