煤粉锅炉低温再热器管屏弯头防磨数值分析

冯玉霄，潘绍成，冉燊铭，刘文建，刘宇钢

（1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001）

0 引言

对于煤粉锅炉，尾部受热面区域烟气温度低，飞灰硬度大，受热面受烟气的冲刷磨损性强［1］，并且烟速越大，磨损性越强，研究表明管壁磨损量与烟气速率的3 次方成正比［2-5］，控制烟气流速能有效降低管屏的磨损，从而防止因管壁长时间磨损而爆管，但为保证尾部受热面的经济性，烟气流速不能太低，所以控制烟气分布的均匀性尤为重要。某电厂2×330 MW亚临界汽包煤粉炉，投运一年后，数次发生低温再热器管屏弯头磨损的情况，分析认为，除了与煤质变差、低温再热器整体烟速偏高有关外，还可能与弯头区域速度场分布不均有关，在靠近管壁的管子弯头部分，由于弯管与管壁之间留有一定的间隙，会形成烟气走廊，烟速偏高，磨损性更强［6-8］，故而在弯头处加装防磨板，并分析防磨板不带孔、带孔及孔型不同的防磨效果。为了有效解决弯头防磨问题，利用Fluent 软件对原方案及采取的不同防磨措施方案进行数值模拟，并提出有效的改进措施。

1 物理模型和基本方程

在弯头处加均流板的物理模型如图1 所示，4 种物理模型方案分别加了均流板（未开孔）、均流板（开孔）、防磨疏型板。分析各物理模型中均流板对管屏速度流场的影响，取初始入口速度为5 m/s。

图1 物理模型

计算流体力学一般需要求解以下控制方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程等，本次模拟计算只是分析低温再热器管屏区域烟气的速度分布，可以将烟气近似为单相气体，不需要求解能量方程，选择标准k-ε 双方程湍流模型［9］求解，按等温、不可压缩流场计算。通过以上近似条件，计算方程简化为

式中：ρ 为流体密度；u、v、w 分别为直角坐标系x、y、z方向的速度分量；φ分别代表速度u、v、w、湍动能k和紊动能耗散率ε；Γφ为扩散项；Sφ为由气相引起的源项或汇相；当φ=1 时为连续性方程。表1 给出了式（1）中的扩散系数和源相的具体形式，其中Gk表示由速度梯度产生的湍流动能；C1、C2为常数。

表1 气相守恒方程中的源项和扩散系数

表1中，各变量为：

在弯头处铺设均流板的模拟计算中，将模型的左侧、前侧和后侧定义为自由滑移界面，右侧定义为壁面，上方为速度入口，下方为压力出口，采用SIMPLER 算法求解气相差分方程组［10］，迭代计算从而得出模拟结果。

2 模拟计算结果比较

2.1 管屏弯头处速度分布比较

4 种方案的垂直截面速度场模拟结果如图2所示。

图2 在XY平面的中垂截面速度分布

为了详细分析加入不同均流板对弯头速度场的影响，现将弯头定义为12个区域，如图3所示。在4种方案中，12个区域内的速度最大值比较如表2所示。

图3 速度场区域划分

表2 区域内速度分布最大值比较 单位：m/s

管屏弯头速度最大值比较见图4。从图4 中可以看出，方案Ⅰ中除第1个弯头处速度最大值比较小之外，其他11 个区域内速度最大值都很大，防磨性能不佳。

图4 管屏弯头速度最大值比较

方案Ⅱ、方案Ⅲ均能使各弯头部位烟气流速更均匀，采用400 mm长开孔均流板防磨效率最佳。

方案Ⅳ开条形孔方案烟气速度偏差大于方案Ⅱ、方案Ⅲ，防磨效果差于方案Ⅱ、方案Ⅲ，但优于方案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见图5。因为管屏弯头处的磨损比较严重，所以并没有列出水平方向管屏间速度的最大值，只是展示了管屏间的速度流场。从图5 中可以看出，防磨板开孔之后，管屏弯头处水平截面速度分布较为均匀。模拟结果表明：方案Ⅱ和方案Ⅲ速度分布水平优于方案Ⅰ。

3.3 管屏直管段速度分布

从图5 水平截面速度分布中可以看出，管屏与管屏之间的速度分布除了弯头处，其他区域速度分布比较均匀，图6为模型正视图，图7为A-A左视图，可以得出同一垂直截面内的速度分布最大值。

图5 在XZ平面的水平截面速度分布（Y=151.75 mm）

图8给出了4种方案下A-A截面内的速度分布。由图8 可知，无论哪种方案，直管段速度最大值出现的地方在最下层直管处，即最下层直管段受烟气磨损最严重。直管段速度最大值相差不大，方案Ⅱ的速度最大值最小。

图6 模型正视图

图7 A-A左视图

为了进一步比较直管段的速度分布，将A-A 截面划分为12 个区域，如图9 所示。A-A 截面内区域速度最大值分布如图10 所示，从图中可以看到，管屏间速度分布比较均匀，方案Ⅱ和方案Ⅲ效果基本相同。

图8 A-A截面速度分布

3.4 分析讨论

在低温再热器弯头上方加了防磨板（方案Ⅰ）之后管屏弯头处的速度分布比较小，很大程度上缓解了弯头的磨损，尤其是最外层管屏的弯头，而在防磨板上打孔（方案Ⅱ、方案Ⅲ）之后，不仅能够缓解烟气对弯头的磨损，而且使得烟气在弯头处的速度分布比较均匀，提高了传热。

图9 区域划分

图10 A-A截面内区域速度最大值分布

适当的增大均流板板宽（方案Ⅲ）可以减小最大值平均速度，管屏弯头处烟速分布比较均匀，整体上减轻了烟气对管屏的磨损。

加了带条形孔的均流板（方案Ⅳ）之后，相比不带孔的工况，区域内速度最大值比较小，速度分布比较均匀，但是相比方案Ⅲ（上下都有均流板，圆孔，板宽400 mm），效果要差很多。

4 结语

对于低温再热器管屏，甚至位于尾部烟道的所有管屏，在控制烟速的同时，在弯头处布置合适宽度的均流板，并在均流板上开分布均匀的圆孔，烟气流经弯头处速度分布均匀，能够很好地防止或缓解弯头处的磨损，从而避免出现弯头爆管的现象，保证锅炉安全稳定运行。