某生物質鍋爐換熱器流場分析

趙忠霞 張曉楠

（1.蘭州石化職業技術大學機械工程學院，甘肅蘭州 730000；2.哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

浙江某電廠為了響應國家環保及節能減排的相關政策，將煤粉鍋爐改燒樹枝葉、雜草或者是農作物秸稈等生活中常見的生物質燃料。然而，經過技術及結構改造后，該鍋爐飽受排煙溫度過高的困擾。因此，為了改善鍋爐尾部煙道的工作條件，對該鍋爐提出了4種改造方案：方案1，移除下級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用錯列布置方式；方案2，移除上級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用錯列布置方式；方案3，移除下級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式；方案4，移除上級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式。對4種方案進行熱力計算，發現方案2排煙溫度高達176.5 ℃，高于設計溫度170 ℃，浪費較大，不符合設計要求；而方案4得到的熱空氣溫度為90 ℃，低于100 ℃，容易造成鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕問題，也不符合要求。因此，放棄方案2和方案4。

本文利用CFD仿真軟件建立了錯列及順列兩種換熱器的物理模型，主要模擬分析換熱器內部煙氣側的速度場和飛灰顆粒對換熱器的磨損情況，因前期通過熱力計算已經放棄方案2和方案4，故接下來將分別分析方案1和方案3速度場及管壁磨損情況，最終確定出最優方案。

1 流體流動的基本控制方程

1.1 質量守恒方程

1.2 動量守恒方程

假設流體的粘度系數是常數C，且為不可壓縮的流體（ρ=C），即S=S=S=0，v為流體的運動粘度，單位是m/s；p為作用在流體微元體上的壓力，故動量方程可簡化為方程組，如式（2）所示：

1.3 湍流方程

本文使用標準κ-ε方程描述湍流流動，如式（3）所示：

式中：σ、σ分別為湍流脈動動能以及耗散率的湍流普朗特數；C、C為經驗系數。

2 換熱器流場仿真分析

2.1 換熱器幾何建模及網格劃分

本文應用模型創建軟件Gambit來創建錯列及順列兩種布置形式的換熱器的幾何模型。錯列及順列換熱器橫向分別有管束18排、24排，管束間橫向節距分別是80 mm、60 mm；縱向都有管束26列，縱向節距都是60 mm。錯列及順列布置的換熱器煙氣均從頂部進入，自上向下垂直沖刷換熱器管束，換熱完成后均從換熱器底部逸出。順列布置換熱器，管束具有對稱性，為了簡化計算，計算順列換熱器的一半即可，因此幾何模型也只創建模型的1/2。順列布置換熱器與錯列布置換熱器的幾何模型如圖1所示。

分別對兩種布置方式的換熱器進行網格劃分，采用四面體網格，最終得到錯列及順列換熱器網格數分別為3 232 388、2 080 650，最差的網格質量分別是0.48、0.51，全部網格質量完全能夠滿足小于0.97的要求，網格質量良好。

2.2 基本假設

在求解過程中，為便于模型的建立，需要進行以下假設：（1）換熱器內流體流動均為定常流動；（2）忽略重力對流場的作用；（3）煙氣在換熱器中的流動屬于湍流范疇，所以該過程利用湍流模型進行求解；（4）流體物理性質的設定。

換熱器中的流體為燃料在爐內燃燒產生的煙氣，進入換熱器前煙氣溫度都為225.83 ℃。根據計算得到的煙溫，查表可確定煙氣的密度ρ=0.733 kg/m，粘度v=3.477×10m/s。

2.3 邊界條件的設定

在同樣的邊界條件下，設置兩種型式的換熱器煙氣入口作為速度入口，速度均為5.25 m/s；煙氣出口為自由出流；換熱器表面的邊界類型是固體壁面；順列換熱器還需設置對稱邊界類型。在計算過程中，使用標準κ-ε方程模擬求解流體湍流過程，采用SIMPLE壓力速度耦合法。

2.4 計算結果及分析

圖2、圖3、圖4分別為錯列、順列換熱器內煙氣沖刷受熱面管束Z方向及X方向的速度云圖。煙氣流經換熱器是沿著Y方向自上而下沖刷管束，但因為管束的存在，煙氣通道變得狹窄。根據連續性方程q=vA，如圖2、圖3所示，因為Z方向上管束間的煙氣流通截面面積A變小，必定會導致煙速增大，在兩側換熱器壁面處流通截面積最小，所以這些位置的煙速最大。同樣的原因，如圖4所示，X方向上，截面兩側位置煙速較大；煙氣受到管束的阻擋，改變了原有的流動方向，在管束的背風側速度很小。對比圖4，錯列布置的管束間速度變化梯度較大，而順列管束布置整齊，速度分布也相對規則，前后排管束間的煙速較小，同一橫排管束間煙速較大。

為了更加清楚地表現換熱器內煙氣速度矢量的變化情況，對圖片進行了放大處理。將錯列管束及順列管束在Z方向截面的速度矢量圖進行了放大處理，如圖5和圖6所示。當煙氣沖刷錯列管束時，在前進的方向上不斷受到管束的干擾，流動方向時刻變化；但順列管束由于前后排列規整，煙氣流動主要受到第一排管束阻擋，隨即改變方向，分成若干股流后，沿管束兩側平緩流動，速度方向變化較小。不論是錯列還是順列管束的背風側都會出現較小的回流區，這是因為受到上一排管束的阻擋，煙氣流動發生了變化。

由圖7～圖10可以看出，不管是錯列換熱器還是順列換熱器，隨著飛灰顆粒粒徑的不斷增大，顆粒與管壁的碰撞概率勢必加大。粒徑小的顆粒其慣性自然小，但是比較容易受到氣流的影響，會隨著氣流繞過管束，只有很少一部分顆粒會與管壁發生直接碰撞。顆粒運動的軌跡與煙氣流動狀態大致相同。顆粒隨著粒徑的增大，慣性自然也會增大，當煙氣受到來自受熱管束的阻擋，流動方向發生改變時，顆粒不易與其流動方向一同發生改變，而是會在慣性的作用下與管壁發生碰撞。

比對錯列及順列換熱器內顆粒的運動軌跡可以發現：在粒徑較小的情況下，顆粒撞擊第一排管束的情況差異較小，區別較大的在于管束的第二排。如圖10所示，即使錯列布置的換熱器內顆粒粒徑較小（即顆粒直徑d=20 μm），顆粒撞擊第二排管束的概率依然很大。顆粒首先受到第一排管束的遮擋，部分與其發生直接撞擊，就算不與第一排管束發生碰撞的顆粒也幾乎全部會與第二排管束發生碰撞。當顆粒粒徑增大時，情況就會更加明顯，如圖8所示。但對于順列換熱器來說，如圖9所示，當顆粒粒徑較小時，顆粒幾乎不會與第二排管束發生碰撞，只有當顆粒粒徑較大時才有一些顆粒會撞擊到第二排管子，如圖7所示。從整體上看，對比圖7～圖10，在相同的顆粒粒徑下，錯列換熱器中顆粒撞擊管束的概率明顯高于順列。當顆粒直徑為50 μm時，在錯列換熱器中，幾乎全部的顆粒都會與管壁相碰撞；而在順列換熱器中，部分顆粒會保持與煙氣一起在管束間從上至下較“順利”地流經換熱器。

本文在模擬中加入離散相模型，主要分析顆粒運動軌跡和對壁面磨損情況，得出以下結論：攜帶顆粒的煙氣沖刷錯列管束時會造成更嚴重的磨損，使受熱管束更容易損壞。因此，從飛灰顆粒磨損角度考慮，順列布置的方案3明顯優于錯列布置的方案1。

3 結論

本文采用計算流體力學方法，使用Fluent軟件分析錯列與順列換熱器煙氣側的流場，并且加入離散相模型模擬煙氣中顆粒對于管束的撞擊磨損作用。采用20 μm、50 μm兩種粒徑，分析顆粒粒徑對磨損量的影響，從飛灰磨損的角度，對比方案1與方案3的優劣，得出錯列管束更容易受到磨損，安全性差一些。所以認為方案3——移除下級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式較優。