煤粉鍋爐低溫再熱器管屏彎頭防磨數值分析

馮玉霄，潘紹成，冉燊銘，劉文建，劉宇鋼

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

對于煤粉鍋爐，尾部受熱面區域煙氣溫度低，飛灰硬度大，受熱面受煙氣的沖刷磨損性強［1］，并且煙速越大，磨損性越強，研究表明管壁磨損量與煙氣速率的3 次方成正比［2-5］，控制煙氣流速能有效降低管屏的磨損，從而防止因管壁長時間磨損而爆管，但為保證尾部受熱面的經濟性，煙氣流速不能太低，所以控制煙氣分布的均勻性尤為重要。某電廠2×330 MW亞臨界汽包煤粉爐，投運一年后，數次發生低溫再熱器管屏彎頭磨損的情況，分析認為，除了與煤質變差、低溫再熱器整體煙速偏高有關外，還可能與彎頭區域速度場分布不均有關，在靠近管壁的管子彎頭部分，由于彎管與管壁之間留有一定的間隙，會形成煙氣走廊，煙速偏高，磨損性更強［6-8］，故而在彎頭處加裝防磨板，并分析防磨板不帶孔、帶孔及孔型不同的防磨效果。為了有效解決彎頭防磨問題，利用Fluent 軟件對原方案及采取的不同防磨措施方案進行數值模擬，并提出有效的改進措施。

1 物理模型和基本方程

在彎頭處加均流板的物理模型如圖1 所示，4 種物理模型方案分別加了均流板（未開孔）、均流板（開孔）、防磨疏型板。分析各物理模型中均流板對管屏速度流場的影響，取初始入口速度為5 m/s。

圖1 物理模型

計算流體力學一般需要求解以下控制方程：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程等，本次模擬計算只是分析低溫再熱器管屏區域煙氣的速度分布，可以將煙氣近似為單相氣體，不需要求解能量方程，選擇標準k-ε 雙方程湍流模型［9］求解，按等溫、不可壓縮流場計算。通過以上近似條件，計算方程簡化為

式中：ρ 為流體密度；u、v、w 分別為直角坐標系x、y、z方向的速度分量；φ分別代表速度u、v、w、湍動能k和紊動能耗散率ε；Γφ為擴散項；Sφ為由氣相引起的源項或匯相；當φ=1 時為連續性方程。表1 給出了式（1）中的擴散系數和源相的具體形式，其中Gk表示由速度梯度產生的湍流動能；C1、C2為常數。

表1 氣相守恒方程中的源項和擴散系數

表1中，各變量為：

在彎頭處鋪設均流板的模擬計算中，將模型的左側、前側和后側定義為自由滑移界面，右側定義為壁面，上方為速度入口，下方為壓力出口，采用SIMPLER 算法求解氣相差分方程組［10］，迭代計算從而得出模擬結果。

2 模擬計算結果比較

2.1 管屏彎頭處速度分布比較

4 種方案的垂直截面速度場模擬結果如圖2所示。

圖2 在XY平面的中垂截面速度分布

為了詳細分析加入不同均流板對彎頭速度場的影響，現將彎頭定義為12個區域，如圖3所示。在4種方案中，12個區域內的速度最大值比較如表2所示。

圖3 速度場區域劃分

表2 區域內速度分布最大值比較 單位：m/s

管屏彎頭速度最大值比較見圖4。從圖4 中可以看出，方案Ⅰ中除第1個彎頭處速度最大值比較小之外，其他11 個區域內速度最大值都很大，防磨性能不佳。

圖4 管屏彎頭速度最大值比較

方案Ⅱ、方案Ⅲ均能使各彎頭部位煙氣流速更均勻，采用400 mm長開孔均流板防磨效率最佳。

方案Ⅳ開條形孔方案煙氣速度偏差大于方案Ⅱ、方案Ⅲ，防磨效果差于方案Ⅱ、方案Ⅲ，但優于方案Ⅰ。

3.2 管屏水平截面速度分布

在XZ平面的水平截面速度分布見圖5。因為管屏彎頭處的磨損比較嚴重，所以并沒有列出水平方向管屏間速度的最大值，只是展示了管屏間的速度流場。從圖5 中可以看出，防磨板開孔之后，管屏彎頭處水平截面速度分布較為均勻。模擬結果表明：方案Ⅱ和方案Ⅲ速度分布水平優于方案Ⅰ。

3.3 管屏直管段速度分布

從圖5 水平截面速度分布中可以看出，管屏與管屏之間的速度分布除了彎頭處，其他區域速度分布比較均勻，圖6為模型正視圖，圖7為A-A左視圖，可以得出同一垂直截面內的速度分布最大值。

圖5 在XZ平面的水平截面速度分布（Y=151.75 mm）

圖8給出了4種方案下A-A截面內的速度分布。由圖8 可知，無論哪種方案，直管段速度最大值出現的地方在最下層直管處，即最下層直管段受煙氣磨損最嚴重。直管段速度最大值相差不大，方案Ⅱ的速度最大值最小。

圖6 模型正視圖

圖7 A-A左視圖

為了進一步比較直管段的速度分布，將A-A 截面劃分為12 個區域，如圖9 所示。A-A 截面內區域速度最大值分布如圖10 所示，從圖中可以看到，管屏間速度分布比較均勻，方案Ⅱ和方案Ⅲ效果基本相同。

圖8 A-A截面速度分布

3.4 分析討論

在低溫再熱器彎頭上方加了防磨板（方案Ⅰ）之后管屏彎頭處的速度分布比較小，很大程度上緩解了彎頭的磨損，尤其是最外層管屏的彎頭，而在防磨板上打孔（方案Ⅱ、方案Ⅲ）之后，不僅能夠緩解煙氣對彎頭的磨損，而且使得煙氣在彎頭處的速度分布比較均勻，提高了傳熱。

圖9 區域劃分

圖10 A-A截面內區域速度最大值分布

適當的增大均流板板寬（方案Ⅲ）可以減小最大值平均速度，管屏彎頭處煙速分布比較均勻，整體上減輕了煙氣對管屏的磨損。

加了帶條形孔的均流板（方案Ⅳ）之后，相比不帶孔的工況，區域內速度最大值比較小，速度分布比較均勻，但是相比方案Ⅲ（上下都有均流板，圓孔，板寬400 mm），效果要差很多。

4 結語

對于低溫再熱器管屏，甚至位于尾部煙道的所有管屏，在控制煙速的同時，在彎頭處布置合適寬度的均流板，并在均流板上開分布均勻的圓孔，煙氣流經彎頭處速度分布均勻，能夠很好地防止或緩解彎頭處的磨損，從而避免出現彎頭爆管的現象，保證鍋爐安全穩定運行。