汽輪機噴嘴固體顆粒沖蝕的數(shù)值分析及預防措施

孫 通 林 波 辛 凱

（1.神華福能發(fā)電有限責任公司，福建省石獅市，362712；2.哈爾濱電站設備成套設計研究所有限公司，黑龍江省哈爾濱市，150046）

現(xiàn)代社會科技高速發(fā)展，為了有效提高火力發(fā)電廠的效率，提高進入汽輪機蒸汽的初參數(shù)的同時也加重了鍋爐受熱面固體顆粒氧化物脫落，固體顆粒隨著蒸汽進入汽輪機中，會對汽輪機葉柵通道、葉片等造成沖擊損傷，形成固體顆粒侵蝕 （SPE）。經前人研究發(fā)現(xiàn)，葉片在受到顆粒的沖蝕后，會使其效率下降3%以上，所以預防固體顆粒沖蝕是保證機組效率并且促使機組安全運行的關鍵因素。

此前，有外國學者對固體顆粒沖蝕進行研究，并提出了針對汽輪機運行中耐沖蝕涂層以及通流部分設計的改善方案，試圖有效地改善固體顆粒沖蝕現(xiàn)象。在我國，隨著汽輪機組參數(shù)的提高，固體顆粒沖蝕問題已嚴重影響機組的效率和安全運行。有人對汽輪機調節(jié)級固體顆粒沖蝕進行研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑對葉片沖蝕效果不同，噴嘴內的沖蝕區(qū)集中在壓力面的中后部，動葉內的沖蝕區(qū)集中在壓力面中后部以及柱形前緣。還有人對汽輪機通流部分的沖蝕與防治對策進行了研究，主要通過減少汽輪機通流部分的固體顆粒、改善通流部分表面的耐沖蝕特性等方式以防治固體顆粒沖蝕。本文對某電廠東方1000 MW 機組汽輪機噴嘴進行研究并首次提出加入分散劑，防止固體顆粒發(fā)生團聚現(xiàn)象，為研究實際汽輪機運行中減輕固體顆粒沖蝕作鋪墊，從而探尋本方法在機組運行中的可行性。

1 模型的建立

1.1 計算網格

本文研究某電廠東方1000 MW 機組的汽輪機噴嘴通道，其物理模型計算網格如圖1所示。

圖1 噴嘴通道網格示意圖

采用FLUENT6.3 研究汽輪機噴嘴通道內固體顆粒與蒸汽兩相流動，利用gambit軟件建立三維模型和劃分網格，根據(jù)模型的特點，選擇六面體網格，增加2次網格數(shù)目，進行無關性檢驗，得出的誤差在合理范圍內，最終計算結果的精確性可得到保證。汽輪機噴嘴通道內固體顆粒與蒸汽兩相流動采用RNG k-ε湍流方程求解，壓力速度耦合采用Simple二階迎風的離散化算法，將迭代計算的殘差精度設置為10-5。

RNG k-ε模型是由Yakhot及Orzag提出的，通過大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得到的k方程和ε方程，與標準k-ε模型非常相似：

式中：Gk——由層流速度梯度而產生的湍流動能，公式 （1）介紹了計算方法；

Gb——由浮力而產生的湍流動能，公式 （2）介紹了計算方法；

YM——由于在可壓縮湍流中，過渡的擴散產生的波動；

C1ε、C2ε、C3ε——常量；

αk和αε——k 方 程 和ε方 程 的 湍 流Prandtl數(shù)；

Sk和Sε——用戶定義數(shù)值。與標準k-ε模型比較發(fā)現(xiàn)，RNGk-ε模型的主要變化是：

（1）通過修正湍流粘度，考慮了平均流動中的旋轉及旋流流動情況；

（2）在ε方程中增加了一項，從而反映了主流的時均應變率Eff。如此，RNGk-ε模型中產生項不僅與流動情況有關，而且在同一問題中也是空間坐標的函數(shù)。

從而，RNGk-ε模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。

1.2 邊界條件

噴嘴葉柵通道的邊界條件為進口給定總溫和總壓，而特殊邊界位置需要周期性邊界條件。

2 結果與分析

2.1 沖蝕率數(shù)據(jù)處理

在進行模擬分析時，將顆粒看成均勻進入噴嘴進口面，可以借用以往計算沖蝕量的經驗公式，固體顆粒的質量流量是給定的，根據(jù)本文所畫網格，單位時間、單位面積下的沖蝕量εL的計算公式為：

式中：εL——單位時間、單位面積的沖蝕量；

N——撞擊網格顆粒的數(shù)量；

mp——單個顆粒的質量流量；

A——在計算沖蝕量時網格的單元面積。

2.2 速度場分析

據(jù)統(tǒng)計分析，對汽輪機造成顆粒沖蝕的主要因素是磁性氧化鐵Fe3O4，尺寸為2～150μm，因此本文所研究的固體顆粒群速度為150～500 m／s，溫度為600℃，密度為5g／cm3，莫氏硬度約為5.5。

迭代計算收斂后，將兩種粒徑Fe3O4粒子進行工況的對比性能分析，圖2 為針對兩種粒徑不同F(xiàn)e3O4粒子流場速度矢量圖。

圖2 不同粒徑Fe3O4與蒸汽速度分布圖

由圖2 （a）、（b）模擬結果可以看出，調節(jié)級的沖蝕部位主要在噴嘴出口邊內弧的葉高中部。圖2中顯示了蒸汽在噴嘴中的變化情況，同種粒徑時，其蒸汽沿噴嘴通道速度逐漸變大，并且在出口處達到最大，說明其對噴嘴葉柵產生了沖蝕。而圖2 （a）、（b）對比可知，粒徑大的溶液沖蝕后速度變化越大，其產生的沖蝕也更嚴重。

3 分散劑實驗

3.1 分散劑的選取

分散劑的選擇需要滿足以下幾個方面：分散性能好，可有效防止顆粒的團聚；有良好的耐高溫、耐高壓性能；不能影響原流體的性質等。由于固體顆粒為磁性氧化物Fe3O4，所以本實驗通過對比阿拉伯膠、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨的分散效果，以及其本身性質，最后決定選擇十六烷基三甲基溴化銨，因為其分散效果優(yōu)于其他兩種物質，并且其擁有易溶于水，化學穩(wěn)定性好，耐熱、耐光、耐壓、耐強酸強堿等性質。經過多方面查找文獻，十六烷基三甲基溴化銨并無分解現(xiàn)象，由于超超臨界機組在啟動中蒸汽參數(shù)較高，所以選用十六烷基三甲基溴化銨作為分散劑。

3.2 流體的配制與結果分析

根據(jù)超超臨界機組在啟動中蒸汽性質與水相似，本實驗將Fe3O4顆粒與水配制成溶液，采用兩步法配制Fe3O4顆粒水溶液，即將Fe3O4顆粒直接與水進行混合，加入分散劑十六烷基三甲基溴化銨，再將混合液放入超聲波震蕩儀進行震蕩，使Fe3O4顆粒充分分散到水中，盡量減少團聚現(xiàn)象。使Fe3O4顆粒水溶液穩(wěn)定后，分別配制粒徑為20 μm 和100μm 的Fe3O4顆粒水溶液進行對比分析。

本實驗采用透射比法將未添加分散劑與添加分散劑的Fe3O4顆粒水溶液的穩(wěn)定性進行對比，如圖3所示。

通過圖3可以看出，同粒徑的Fe3O4顆粒水溶液，添加分散劑的溶液穩(wěn)定性高，顆粒在溶液中分散良好；而未添加分散劑的溶液易發(fā)生團聚現(xiàn)象，隨著時間的增加，透射比有明顯增加趨勢，說明溶液中固體顆粒發(fā)生團聚現(xiàn)象，形成較大顆粒沉于底部。通過圖3 （a）與圖3 （b）對比，不同粒徑的Fe3O4顆粒水溶液添加分散劑后，粒徑大的溶液其穩(wěn)定性要比粒徑小的溶液高，其透射比曲線斜率比粒徑小的溶液小，說明粒徑小的顆粒更容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，從而形成大粒徑顆粒，所以添加分散劑后能夠更加有效地防止小顆粒團聚，防止對汽輪機葉片造成更大損傷。

圖3 不同時間Fe3O4顆粒水溶液的透射比

通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，加入分散劑后，其穩(wěn)定性高，可有效防止發(fā)生團聚現(xiàn)象，減少更大粒徑顆粒產生，有效阻止了對葉片造成更大損傷。

通過大量閱讀前人的研究總結發(fā)現(xiàn)，超超臨界等大型參數(shù)的機組，一般在機組啟動、停機時固體顆粒沖蝕效果最大，所以本文建議在啟動初期加入分散劑，并且通過旁路引出，達到更好地減少固體顆粒沖蝕的效果。

4 結論

本文通過對不同粒徑的Fe3O4顆粒隨蒸汽在1000 MW 機組汽輪機噴嘴通道內流動的數(shù)值模擬，以及在流體中加入分散劑的實驗，闡述了不同粒徑的顆粒對沖蝕效果有著不同的影響。大粒徑顆粒沖蝕嚴重，損傷大，因而本文建議在啟動初期加入分散劑，以防止顆粒在流動中 發(fā)生團聚現(xiàn)象，以減少固體顆粒沖蝕。實驗證明，加入分散劑后，F(xiàn)e3O4顆粒水溶液穩(wěn)定性好，不易發(fā)生團聚現(xiàn)象，從而減少了流動中小顆粒團聚成大顆粒，進而減少了固體顆粒沖蝕。

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