锅炉汽包蒸汽品质波动问题模拟分析及改造

2020-10-09王天龙廖天阳李瑞宇朱建锋马金星蔡创明宋长志蔡琼珂

发电设备 2020年5期

王天龙，廖天阳，李瑞宇，朱建锋，马金星，蔡创明，宋长志，蔡琼珂

(1. 广东省特种设备检测研究院，广东佛山 528251; 2. 宝武集团广东韶关钢铁有限公司,广东韶关 512123; 3. 广东省特种设备检测研究院顺德检测院, 广东顺德 528300)

锅炉汽包主要接收来自省煤器的热水，并向过热器输送饱和蒸汽，同时又与下降管、水冷壁上升管连接，共同组成水循环回路[1-3]，其内部主要工作流程为：从水冷壁来的汽水混合物由汽水引出管接入汽包联通箱进入汽包内，经汽水分离后向过热器输送饱和蒸汽。锅炉运行中水位控制过高、负荷急剧变化、燃烧不均造成的热力偏差等都有可能增加蒸汽带水，影响蒸汽品质。锅筒内部装置有缺陷也会造成蒸汽带水，影响蒸汽品质[4]。高温高压锅炉的汽包内部装置是一个比较复杂的系统，它不参与锅炉酸洗与碱煮。锅炉在清洗之前必须先将锅内装置拆除，清洗完毕后再重新安装。笔者建立了正常汽包和异常汽包的内部结构几何模型，通过应用ANSYS软件对比分析汽包工作时内部流动特性，提出了蒸汽品质波动的汽包结构改造方案，模拟分析改造后汽包工作时的内部流动特性。

1 机组概况

该30 MW锅炉的汽包内部装置包括汽水分离装置、蒸汽清洗装置、给水分配装置、加药装置、排污装置等。

锅炉汽包半剖结构见图1。

电厂机组的循环流化床燃煤锅炉自投产以来，蒸汽品质一直存在波动，表现为饱和蒸汽钠离子含量严重超出标准值，锅炉全燃煤气改造(锅炉汽包未进行改造)后，蒸汽品质异常仍未消除。对正常汽包和异常汽包的内部结构(见图2)进行对比排查后发现：该汽包中有1处汽水引出管异常，其未连接联通箱直接引入汽包内上部空间，正常汽包的该汽水引出管与汽包内清洗孔板(溢水槽)未接触(见图2(a)和图2(c))；异常汽包的清洗孔板安装高度偏高，汽水引出管与清洗孔板(溢水槽)出现接触(见图2(b)和图2(d))。

2 控制方程

所用计算方法主要遵循动量守恒方程、质量守恒方程及能量守恒方程[5-6]。

动量守恒方程为：

(1)

式中：ρ为密度；μ为流体动力黏度；x、y、z分别为3个方向的坐标；u、v、w分别为速度uc在x、y、z方向上的速度；p为微元体上压力；Su、Sv、Sw为广义源项；t为时间；λ为第二黏度系数，取-2/3；Fx、Fy、Fz分别为流体在3个方向的力；sx、sy、sz为其他项源。

质量守恒方程为：

(2)

能量守恒方程为：

(3)

式中：k为传热系数；T为温度；cp为比定压热容；ST为黏性耗散项。

3 汽包流动分析

3.1 模型建立及网格划分

由于正常汽包与异常汽包的主要差异为直接通入汽包内部的汽水引出管与清洗孔板相对位置不同，故建立该局部区域的三维几何模型(见图3)。

根据图3的局部模型，反向建模生成汽包局部流体域模型，该流体域模型包括直通汽包的汽水引出管、两级清洗孔板、联通箱、分离器及蒸汽引入管。

对两种汽包局部流体域模型进行网格划分(见图4)，正常汽包和异常汽包模型的网格数分别为2 310 008及2 413 144，选取模型的蒸汽引入管流体速度作为评判依据，进行网格无关性检验，综合考虑计算精度、计算时间，验证了所选取网格满足要求[7]。

3.2 结果分析

根据汽包工作时汽水引出管的压力及温度，采用ANSYS软件模拟计算正常汽包及异常汽包内局部介质流动特性，汽水引出管剖面上流体的速度分布云图见图5。

由图5可知：流体流经直通汽包内部的汽水引出管时，流体呈射流状态流向汽包内部，由于汽包内第一级清洗孔板的阻挡作用，流体碰撞第一级清洗孔板后与其他流经旋转式汽水分离器的介质汇合后向汽包上部流动。由于两种汽包内部清洗孔板与引出管相对位置的差异，正常汽包的流体进入汽包后与第一级清洗孔板接触前其中心流体的最大速度为47.22 m/s，异常汽包该数值为63.42 m/s，增加34.3%。正常汽包内的流体与第一级清洗孔板发生碰撞后，贴近孔板上方流动至孔板中心后向汽包上方流动，流体速度分布平缓；异常汽包内，流体流入汽包内后，射流中心与孔板拐角碰撞，未经分离的汽水混合物流体经孔板反射后直冲向汽包蒸汽出口，该过程容易带走大量汽水混合物造成出口的蒸汽夹杂水；流体流经第二级清洗孔板后，经汽包上方的蒸汽引入管流出汽包，正常汽包内流体的最大速度为176.53 m/s，异常汽包该数值为186.16 m/s，增加5.5%，出口流体速度增大亦容易使蒸汽携带水。