预测加热器进口防冲挡板及壳壁冲蚀位置的数值模拟

陈晓欣， 胥建群， 蒋伟莉

(东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096)

回热系统高压加热器因具有减少冷源损失和提高机组效率的作用，被广泛应用于电力、化工和冶金等行业，若发生故障将影响整个系统经济性运行。在实际生产过程中，流入加热器壳侧的高温高压流体会持续冲刷进口防冲挡板及邻近壳壁，造成进口防冲挡板损坏和壳壁减薄泄漏，严重影响换热效果和流动稳定性，从而导致电厂降负荷或停机，甚至造成人员伤亡等事故。因此，预测进口防冲挡板及邻近壳壁冲蚀位置以预防挡板损坏及壳体泄漏成为保证机组安全经济运行的关键因素。

笔者针对某电厂回热系统加热器[4-5]，建立汽流冲蚀模型，运用CFD软件对加热器进口防冲挡板、壳壁附近和上级疏水挡板的流场进行三维模拟，能够准确、详细地预测加热器进口防冲挡板及邻近壳壁汽流冲蚀位置，定性研究挡板和壳体可能被冲蚀区域及冲蚀磨损程度。

1 加热器数值建模

1.1 物理对象与简化条件

图1为该电厂回热系统加热器结构图，在蒸汽冷却段设有4块挡板，在疏水冷却段设有5块挡板进行疏水导流。在蒸汽进口和上级疏水进口均设防冲挡板，主要为了缓解进口高温高压汽流直接冲刷换热管，造成管束泄漏等。考虑壳侧挡板设置等结构复杂，还涉及凝结换热问题，而管侧换热相对简单，因此重点探索壳侧流动和传热特性[6]。

图1 高压加热器结构图

因加热器实际管子数量庞大，为使数值建模顺利进行，同时节省数值计算的时间成本，笔者在保证加热器基本流动参数和结构基本相同的条件下对研究对象进行简化处理。经简化处理的加热器参数见表1。

表1 加热器结构与工质参数

1.2 网格划分

因模拟对象管壳两侧沿换热管纵向物性变化不大，且壳侧流场状况对换热效果影响[7]更大，故壳侧横截面上网格分布更加密集。网格划分用六面体或楔形网格模型，网格数量为126.8万。

1.3 数值模拟方法

采用ANSYS 14.5软件完成数值计算，加热器内部湍流流动模型采用雷诺平均方法,采用k-ε模型，Scalable壁面函数；凝结相变过程采用Mixture模型，管壳侧换热采用耦合换热方式[8]。求解控制设置，为了求解结果收敛的稳定性，差分格式为High Resolution，最大迭代次数设为100，收敛判别准则中残差类型选择RMS，质量及能量计算残差控制在10-4数量级，监视残差变化直至收敛。

1.4 汽流冲蚀模型

加热器壳侧在抽汽口或上级疏水进口处容易因压力变化而液化，形成气液两相流动[9]，由高速蒸汽携带的液滴将撞击并腐蚀挡板及壳壁氧化层金属,进而导致壁面变薄，甚至泄漏。液滴撞击磨损程度由很多因素决定，表达式为[10]：

(1)

式中：m为磨损速率，kg/s;C为常数；N为频率，Hz；液滴作用力F(θ)为特征函数，θ为冲蚀角度，rad；ρ为工质密度，kg/m3；un为工质撞击壁面的法向速度，m/s;HV为壁面硬度，GPa。

2 数值模拟结果分析

为防止高参数蒸汽对换热管的直接冲刷，通常在高压加热器蒸汽进口、低压加热器蒸汽进口和高压加热器上级疏水进口设置防冲挡板。然而，防冲挡板的设置使得直接冲刷防冲挡板的高速流体部分回流，转而冲刷壳壁，导致防冲挡板和壳壁冲蚀，严重威胁加热器安全运行。

2.1 蒸汽进口防冲挡板冲蚀

图3 不同进口水体积分数进口防冲挡板附近分布

由图2、图3可以看出：在抽汽口正下方位置蒸汽冲刷进口防冲挡板法向速度绝对值较大，即该位置易发生流体加速腐蚀；随工质中水体积分数增加，进口防冲挡板上蒸汽的法向速度增大，进口防冲挡板腐蚀及壳壁磨损程度更加严重。

2.2 上级疏水防冲挡板冲蚀

实际运行中，当疏水流经阀门等部件时，瞬时压力会大幅降低，工质汽化致使上级疏水挡板同样面临气液两相流冲蚀问题。分别对热耗率验收(THA)工况、75%THA工况和50%THA工况下上级疏水挡板[13-14]工质法向速度进行模拟，见图4、图5。由图5可以看出：整体来看挡板下部工质流速均高于上部流速，随负荷降低工质流速明显减小。

图4 挡板位置示意

图5 上级疏水挡板处各负荷工况工质法向速度分布

上级疏水挡板上水相分布见图6。由图6可以看出：高负荷时只有挡板边缘发生汽化；但在50%THA低负荷时上级疏水挡板的汽化区域明显扩大，说明负荷越低进入加热器的工质更易发生汽化。气液两相导致的流体加速腐蚀严重威胁进口防冲挡板、壳壁和上级疏水挡板，而负荷突变至低负荷又使得防冲挡板受力不均而损坏， 实际运行中应尽量避免气液两相流及负荷突变情况发生。

图6 上级疏水挡板处水相分布

3 预测进口防冲挡板冲蚀位置

壳体和防冲挡板受气液两相流冲蚀[15]可能导致壳体泄漏和挡板断裂，现场图见图7、图8。

图7 加热器壳体冲蚀现场图

图8 加热器防冲挡板冲蚀现场图

为提高加热器运行安全系数，须提前预测防冲挡板及壳体冲蚀位置来及时启动防御系统。进口防冲挡板处流线见图9，取紧贴进口防冲挡板位置截面观察流线分布，其中蒸汽冷却段为2～5号流道。因与进口防冲挡板碰撞，从垂直挡板的进口流入的蒸汽首先冲击防冲挡板随后回弹至靠近防冲挡板两侧壳壁。由左视图图9(b)可以看出：在壳体与进口防冲挡板之间的狭窄区域会有大量蒸汽回弹冲蚀磨损壳体，尤其挡板上方邻近左右两侧壳体处冲蚀较为严重。进口防冲挡板冲蚀位置主要分布在蒸汽进口管下方。

图9 进口防冲挡板处流线图

图10是蒸汽进口防冲挡板上方壳侧蒸汽法向速度分布，可以看出壳体容易发生流动加速腐蚀的部位是紧邻进口防冲挡板两侧边缘的部位(见图11)，因挡板折流作用工质流体多以法向冲击磨损壳体。高压加热器挡板上方附近壳壁实际冲蚀情况为进口管正下方挡板左右两侧壳体冲蚀严重，经与文献[3]对比验证，该数值模拟预测冲蚀位置与现场情况吻合良好。

图11 进口处挡板导流

4 结语

以工程常用高压加热器为研究对象，分别就加热器进口防冲挡板、防冲挡板上方邻近壳壁和上级疏水挡板附近的流场进行模拟，得出：

(2) 分别对THA、75%THA和50%THA工况下的上级疏水挡板工质流速和水相分布进行模拟，得出挡板上部流速小于下部流速，下边缘流速最大，且随负荷降低工质流量降低流速也降低；高负荷时上级疏水挡板水相份额最大，当负荷降低至50%THA工况时挡板汽化现象十分明显，可见负荷越低越易发生流动加速腐蚀。

(3) 进口防冲挡板及壳壁冲蚀位置的预测结果与现场测量位置吻合良好，验证该模拟方法的可靠性和正确性。在实际运行中，高温高压汽流对挡板持续冲刷侵蚀易造成挡板损坏和壳壁减薄，预测挡板可能被冲蚀位置并预先在易腐蚀部位采用耐腐蚀挡板材料、加装耐腐蚀保护层及考虑负荷优化运行等，有效减少因冲蚀导致泄漏的损失，具有一定的工程应用价值。