新型贴壁风装置的结构设计及优化模拟

张知翔, 成丁南, 王云刚, 赵钦新

(西安交通大学 能源与动力工程学院,西安710049)

据统计,我国约80%以上燃用贫煤锅炉存在着不同程度的高温腐蚀,超临界锅炉由于其炉膛热负荷高、水冷壁壁面温度高、炉内燃烧不均匀程度高,也存在巨大的高温腐蚀隐患.燃烧器区域水冷壁发生高温腐蚀后,水冷壁壁厚减薄,强度降低,容易造成泄漏和爆管,影响锅炉机组的安全运行.

目前,国内防止高温腐蚀的主要措施是采用耐腐蚀高合金钢、渗铝管及在管外敷设防腐材料等表面防腐处理,提高水冷壁的抗腐蚀能力.但这些方法都属于消极防护,同时费用较高.

1 贴壁风应用的起源

贴壁风是一种解决水冷壁高温腐蚀行之有效的方法,它在水冷壁表面形成一层空气膜,破坏了形成高温腐蚀所必须具备的还原性气氛.另外贴壁风来源于二次风,相对于炉膛内的高温烟气来说属于冷风,能够降低水冷壁附近的温度,有利于防止高温腐蚀.谏壁电厂8号锅炉为亚临界单炉体双炉膛П型布置中间再热锅炉,1983年投入运行后水冷壁发生严重的高温腐蚀,最大腐蚀速率为1.8×10-4mm/h.测试结果表明,腐蚀区处于严重缺氧状态.1988年10月电厂大修中,在前墙双面水冷壁部位装设了贴壁风装置(见图1).贴壁风由风道引至固定在水冷壁上的扁平风口,风量配置以保证消除贴壁烟气中还原性气体的前提下,尽可能减少贴壁风投入量,以免影响炉内燃烧.

图1 谏壁电厂贴壁风装置示意图Fig.1 Schematic of closing-to-wall air device applied in Jianbi power plant

1991年11月大修时,在增设贴壁风的区域内割取了试验样管进行外观和电镜检查,结果表明,贴壁风有效地减慢了水冷壁管的腐蚀速度,且由于在缺氧区及时补充了所需的空气,使飞灰可燃物含量大幅度下降,锅炉效率提高0.5%[1].贴壁风技术简单、投资小、安全可靠,且其风量只占总风量的5%以下,不会对炉膛内的煤粉着火和稳定燃烧造成不良影响,适于推广.然而,传统的贴壁风方法存在以下问题[2-5]:

(1)每层燃烧器都必须配贴壁风装置,投资较大,系统复杂,容易发生问题.

(2)贴壁风风向平行于水冷壁平面,而与水冷壁轴线相垂直,风速衰减比较快,投入的贴壁风总量比较大,容易影响炉膛的正常燃烧.

(3)贴壁风喷口的冷却条件比较差,传统贴壁风喷口内的流场比较均匀,空气与金属壁面的传热系数很小,容易出现喷口烧坏的现象.

由于以上原因,使贴壁风方法在实际应用中受到了限制.笔者提出了一种投资小、系统简单、喷口冷却条件好、运行总风量小的贴壁风装置,并通过数值模拟的方法对其结构进行了优化.目前,新型贴壁风装置仍处于设计阶段,研究成果有助于该贴壁风方法的推广应用.

2 新型贴壁风装置的结构设计和特点

新型贴壁风系统见图2～图4,二次风由二次风母管2通过调节风门3进入风道4,风道4与风箱5相连,进入风箱5的二次风通过膜式水冷壁6上的狭缝8-3进入贴壁风单元喷口8,由于喷口挡板8-1的作用,二次风自贴壁风单元喷口8沿着水冷壁轴向同时向上、下两边喷出,贴壁风沿程阻力小,风速衰减慢,克服了传统装置风向垂直于水冷壁管轴线导致风速衰减快的缺点.另外,新型贴壁风装置只需布置一层,克服了传统装置在每层燃烧器都必须布置的缺点,投资小,且系统结构简单.

图2 贴壁风系统俯视图Fig.2 Vertical view of the closing-to-wall air sy stem

图3 贴壁风系统侧视图Fig.3 Side view of the closing-to-wall air system

图4 贴壁风单元喷口示意图Fig.4 Schematic of the unit nozzle of the closing-to-wall air

贴壁风单元喷口的材料为耐热高合金钢1Cr25Ni20Si2,可耐1 100℃高温.它由2个水冷壁管加1个喷口组成(见图4),布置比较灵活,可以布置在燃烧器区域任何高温腐蚀高发区.其在炉膛内的标高位置可以根据实际情况来定,尽量避开炉膛内热负荷最高的区域,减小喷口被烧坏的可能性.

根据运行经验及理论分析,对于四角切圆燃烧煤粉锅炉来说,燃烧器区域的高温腐蚀一般发生在燃烧器射流下游的水冷壁上[5],为了节约喷口费用和减少贴壁风的用量,只在燃烧器射流下游布置贴壁风(见图2).

为了增强贴壁风对挡板8-1的冷却能力,在贴壁风单元喷口8中加装了长翅片8-4与短翅片8-6,使贴壁风在喷口8中产生涡流,加大了空气的对流传热系数;长翅片8-4与短翅片8-6又相当于挡板8-1的鳍片,加大了挡板8-1与空气的传热面积;挡板8-1、鳍片8-2、长翅片8-4及短翅片8-6都可以做成波纹板,破坏了空气在金属壁面的边界层,增大了对流传热系数,增强了空气的冷却能力;贴壁风单元喷口8不仅受到贴壁风的冷却,还能通过鳍片8-2与水冷壁管6-2进行传热,进一步降低了挡板8-1的温度.

炉膛膜式水冷壁6上装有烟气成分在线监测仪9,用来监测水冷壁附近烟气还原性气氛的严重程度,根据监测结果调节贴壁风的风速;风道4中装有测速装置10,通过测量风速,保证贴壁风总量不超过入炉总风量的5%,以免影响炉内的正常燃烧和锅炉的燃烧效率.

3 数学模型

3.1 模型介绍

新型贴壁风装置与传统装置的主要区别是加装了2个短翅片和1个长翅片,因此本文主要针对新型装置的冷却能力进行模拟.三维模型见图5,贴壁风从狭缝进入,遇到挡板后,同时从上、下两侧喷出.模型选用的水冷壁管直径48 mm、壁厚6 mm,两个水冷壁管间节距80 mm,膜式水冷壁鳍片厚8 mm、长20 mm,贴壁风挡板厚5 mm、宽40 mm、高200 mm,贴壁风鳍片厚5 mm、宽10 mm、高200 mm.

图5 贴壁风喷口三维模型Fig.5 3D-model of the unit nozzle of the closing-to-wall air

3.2 气相湍流模型及边界条件

模拟采用Realizable k-ε湍流模型,其湍流控制方程为:

式中:μ为动力黏性系数;μt为湍流黏度;ρ为密度;u、v分别为x、y方向的速度;k为湍流动能;ε为湍流动能耗散率;Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;G b是由浮力而引起的湍动能k的产生项;YM是由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动;C2、C1ε和C3ε为经验常数;σk和 σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数;Sk和Sε是用户定义的.

计算时采用流固耦合,二阶压力差补,方程离散为Quick格式,网格划分为完全结构化网格.入口为速度入口,出口为压力出口,气相流场在壁面处采用无滑移边界条件,近壁面网格采用标准壁面函数法近似处理.

计算时假定流动和传热是稳态的,贴壁风物性、水冷壁物性及喷口物性均为常数,挡板外表面采用恒定热负荷边界条件,模拟炉膛火焰对喷口的辐射.由于模型的对称性,为节约计算机资源,采用对称性边界条件,实际计算区域为图4虚线方框内的部分.

4 结构优化数值模拟

图6为加装翅片前后喷口内流场图,从图中可以看出,加装长翅片和短翅片后,喷口内的湍流强度大大增加,出现了4个很明显的涡流,这些涡流能够大大增强贴壁风的对流传热系数,降低喷口的温度.相比之下,空喷口内流场比较均匀,而且出现了几个死区,这将会大大降低贴壁风的传热系数.

图6 加装翅片前后喷口内流场图Fig.6 Flow field in the nozzle before and after installing fins

4.1 短翅片优化

图7 为短翅片位置与长度对喷口外表面最高温度的影响.从图中可以看出,当翅片相对间距l/L=0.5、短翅片相对高度a/A=0.78时贴壁风喷口外表面的最高温度与其他情况下相比最低,因此在以后的优化中均采用l/L=0.5、a/A=0.78,但是实际中由于制造工艺和热胀冷缩的考虑,建议短翅片的尺寸为a/A=0.7.

图7 短翅片优化图Fig.7 Op timization of short fin

4.2 长翅片优化

图8为长翅片的长度对喷口外表面最高温度的影响.从图中可以看出长翅片越长,贴壁风的冷却效果越好,但从制造工艺和热膨胀考虑,建议长翅片的相对高度h/H=0.9.

图8 长翅片优化图Fig.8 Op timization of long fin

5 性能优化数值模拟

5.1 水冷壁管金属物性的影响

水冷壁管金属物性对贴壁风装置的性能有一定影响,而水冷壁管导热系数对其性能影响最大.贴壁风装置最主要的性能是喷口的冷却能力,因此本文就水冷壁管导热系数对临界风速的影响进行了数值研究.

由文献[6]和[7]查得水冷壁管壁的导热系数为

式中:t为材料的温度,℃.

超临界压力下燃烧器区域内水冷壁壁温为400～500℃[8-10],因此选取400℃、450℃、500℃3个工况来试验.为了验证水冷壁管材导热系数对临界风速vcr(即挡板外表面最高温度为1 100°C时的贴壁风风速)的影响,在3个工况下,令水冷壁导热系数从40.612到45.425递增,模拟结果见图9.由图9表明,虽然水冷壁导热系数跨度很大,但是临界风速变化很小,均在0.5%以内,因此认为水冷壁管壁的导热系数对贴壁风的影响可以忽略.

图9 水冷壁管导热系数对临界风速的影响Fig.9 Effects of conductivity of waterwall tube on critical air velocity

5.2 喷口材料物性的影响

喷口材料物性对贴壁风装置的性能有影响,而喷口材料导热系数对其性能影响最大,因此本文就喷口材料导热系数对临界风速的影响进行了数值研究,结果见图10.

图10 喷口材料导热系数对临界风速的影响Fig.10 Effects of heat conductivity of nozzle material on critical air velocity

由文献[11]可得1Cr25Ni20Si2的导热系数为

由图9可以看出,当kp从21.46变化到24.07时,3种工况下,临界风速有一定变化,但幅度很小,均为7.9%左右.因此建议在耐温许可的情况下,喷口使用导热系数大的材料.

5.3 贴壁风物性的影响

为了研究贴壁风物性对装置性能的影响,本文就不同温度的贴壁风对喷口冷却能力的影响进行了数值研究.

图11为同等质量流量下,不同温度、不同物性的冷却风对贴壁风喷口的冷却效果,可以看出冷却风温度低时,虽然风速较低,但是冷却效果较好.因此建议贴壁风取风口尽量选在空气预热器前、风机后,这样对喷口的冷却效果好,喷入炉膛后对水冷壁的冷却效果好,有利于抑制高温腐蚀,而且由于贴壁风离主燃烧区较远,再加上风量小,对锅炉燃烧的影响很小.

图11 风温对喷口温度的影响Fig.11 Effects of air temperature on nozzle temperature

5.4 炉膛热负荷的影响

为了研究炉膛热负荷对贴壁风装置性能的影响,本文就炉膛热负荷对2种贴壁风装置冷却能力的影响进行了数值研究,结果见图12及图13.

图12 热负荷对临界风速的影响Fig.12 Effects of heat load on critical air velocity

超临界压力下燃烧器区域水冷壁的热负荷为300 k W左右[12],本文选取热负荷为150～400 kW.从图12可以看出随着炉膛热负荷的增加,临界风速迅速增加,所需要的贴壁风风量也迅速增加.但是同样负荷下,新型喷口的用风量是传统喷口用风量的1/3左右,可以大大节省贴壁风量,减小贴壁风对锅炉燃烧的影响.从图13可以看出,在同样风速下,新型喷口的壁温比传统喷口低300～600 K,温差随着负荷的增加而增大.

图13 两种喷口的温度对比Fig.13 Temperature comparison between the two nozzles

建议在实际应用时,应发挥新型贴壁风装置的灵活性,尽量避开炉膛热负荷高的区域,减小喷口被烧坏的可能性.

6 结 论

(1)新型贴壁风装置投资小、系统简单、喷口冷却条件好、运行总风量小,可大力推广应用,能够提高我国电力生产的安全性.

(2)短翅片l/L=0.5,a/A=0.7时,新型贴壁风装置喷口的冷却性能最好.

(3)长翅片h/H=0.9时,新型贴壁风装置喷口的冷却性能最好.

(4)水冷壁管金属物性对贴壁风装置冷却性能的影响可以忽略不计.

(5)喷口材料物性对贴壁风装置冷却性能影响很小,但是建议在保证耐温的前提下,采用导热系数较大的材料.

(6)贴壁风物性对贴壁风装置冷却性能影响较大,在相同质量流量下,风温越低,冷却效果越好,建议取冷风作为贴壁风.

(7)炉膛热负荷对贴壁风装置冷却性能的影响较大,建议发挥其灵活性,将贴壁风装置布置在热负荷较低的区域,避免喷口被烧坏.

(8)新型装置的用风量是传统装置的1/3左右,在同样的冷却风量下,新型装置的温度比传统装置低300～600 K,其温差随着负荷的增加而增大.

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