电厂换热管束冲蚀磨损数值模拟分析

解其林，陈 昊，郭万军

（1.江苏淮阴发电有限责任公司， 江苏淮安 223002；2. 江苏国信仪征热电有限责任公司， 江苏扬州 211401；3. 江苏博斯泰德能源科技有限公司， 南京 210049）

0 引言

电厂锅炉高温换热器受热面在高温烟气的作用下会出现吹蚀减薄迹象，长时间磨损严重容易导致换热器爆管，导致管内蒸汽泄漏，使得机组被迫停机。爆管发生后，电厂需要花费大量时间进行检修和更换管路，额外检修费用和劳动强度、减少了发电量。因此磨损爆管一直是电厂面临的难题，影响发电系统持续运转[1]。

高温含尘气流对换热管束的磨损效应主要分为冲击磨损、切削磨损和接触疲劳磨损[2]。冲击磨损是指当固体颗粒物垂直冲击管路受热面时，管子表面出现塑性变形；切削磨损是指固体颗粒物沿与受热面平行的方向高速冲刷管壁，在管壁产生刨削作用，使管壁刷薄；接触疲劳磨损是指气流冲刷管路时，固体颗粒物在管子背面的涡流处对壁面产生磨损。

国外学者对管路冲蚀磨损过程进行了大量的研究。Hutchings[3]通过实验方法提出犁削和切削I、切削II模型。Shi⁃razi 等[4]将影响管束磨损因素归纳为多个物理因素的综合影响，建立了弯管冲蚀磨损的预测模型。Evans 等[5]建立了塑性材料的冲蚀磨损模型，得到冲蚀磨损与颗粒粒径、颗粒密度以及管束材料之间的关系。Tai Ji[6]等人采用欧拉-拉格朗日方法对10×11 管束的磨损进行了数值模拟研究，分类讨论了不同Stk下管束的冲蚀磨损情况。

国内学者同样对换热管束磨损进行了深入的研究。何雅玲团队[7-8]基于Tabakoff 半经验模型对管束磨损情况进行了计算，研究了颗粒速度、粒径以及入射角度对管束的磨损影响。结果表明随着颗粒尺寸、浓度的和流体雷诺数的增加，管束的磨损速率增加。刘刚[9]通过实验研究了颗粒冲击角度、速度、粒径对其管束磨损性能的影响。王博[10]等对固-液多相流管道进行了数值模拟，结果表明冲蚀速率随入口流速的增加呈指数型变化。

由于电厂换热器的冲蚀磨损过程关系到电厂发电系统的安全稳定运行，且冲蚀磨损的影响因素较为复杂。为了加强对换热管束磨损的研究，本文采用数值模拟方法对不同工况下电厂换热管束冲蚀磨损过程进行分析，对电厂实际安全运行和优化具有指导意义。

1 换热器几何模型

过热器管、省煤器管、水冷壁管和再热器管简称 “四管”，是锅炉内壁主要受热面，其安全运行直接关系到电厂的安全，爆管事故的发生会直接影响到电厂的生产效益。

“四管” 由于运行工况、运行环境和材质的不同，其失效机制不尽相同，冷水管壁在吹灰器周围和受吹灰器直接冲刷的炉膛角域处管壁易发生冲蚀；省煤器在烟气入口处、吹灰器吹灰方向上易发生冲蚀；过热器和再热器在靠近炉膛第一根管子、烟气旁路通道处和高流速烟气区域易发生冲蚀磨损。

图2 换热管束几何模型

2 数值模拟基础

2.1 计算流体域

电厂换热管束模型复杂，计算量巨大，难以按照实际流动模型进行数值模拟。因此，本文对换热器进行简化处理，如图3 所示，选取8 排管束进行计算，换热管外径D=50 mm，前后管束的间距为100 mm，管路轴向距离为300 mm，换热管束横向间距为70 mm。

图3 计算流体域

2.2 边界条件及湍流模型

本文基于Fluent-CFD 软件计算气固两相流场和管束冲蚀特性，进口设置为速度入口（velocity-inlet），出口设置为出流出口（outflow），四周设置为对称面（symmetry），进口温度为735 K，浓度为50 g/( N·m3)管壁采取无滑移壁面模型（wall），管壁与换热流体的对流换热系数为3000 W/（m2·K），网格采用结构化网格，网格单元数为1067838，具体网格分布如图4所示。

图4 网格分布图

采用RNGk-ε湍流模型模拟换热管束之间湍流运动，流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律，各控制方程如下[11]。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

湍动能k输运方程：

湍动能耗散率ε输运方程：

式中：ui、uj为速度分量；ρ为空气密度；P为空气压力；μ为动力黏度；t为时间；k为湍动能；ε为湍动能耗散率；xi为位置分量；ui为速度分量；Gk为湍动能生成率；αε为湍流流动的普朗特数；μeff为等效黏性系数；C为常数；T为温度；cp为流体定压比热；ST为黏性耗散项。

2.3 管束冲蚀模型

本文采用离散相模型（Discrete Phase Model，DPM）模型模拟颗粒运动，进行气固两相耦合计算，进口设置为逃逸边界（escape），出口设置为捕捉边界（trap），换热管束壁面采用DEFINE_DPM_BC宏定义颗粒与壁面的非弹性碰撞过程[12]。颗粒与不锈钢的壁面碰撞模型为：

图5 颗粒壁面碰撞过程

在飞灰磨损模拟的半经验理论中，Oka模型以实验数据为基础，综合考虑了不同冲蚀角度、速度、粒径以及壁面材质下的冲蚀速率。本文选用的Oka冲蚀模型为[13]：

式中：α为冲蚀角；Hv为维氏硬度；v为颗粒来流速度。

2.4 求解参数设置

本文采用压力基求解器，进行换热管束稳态计算，近壁面采用标准壁面函数处理，采用coupled 压力-速度耦合方法，动量松弛因子设置为0.3，计算时考虑压力梯度力和Saff⁃man 升力,颗粒密度为2600 kg/m3，粒径为300 μm。Oka 冲蚀模 型 中:E90＝6.154e－4， Hv=1.75，n1=0.8，n2=1.3，k2=2.35，k3=0.19，dref=326，Vref=104。

3 计算结果分析

3.1 气相流场结果

图6 所示为换热管束气相流场计算结果，烟气流经换热管后受到管束的绕流作用，使得壁面附近的速度、压力和温度存在明显差异，由于管束对气流的滞止，管束前压力存在一定的高压区，管束后存在回流区，管束与管束之间气流加速运动，沿流向温度逐渐降低。

图6 气相流场分布

图7 所示为5 m/s 下换热管束磨损与颗粒运动轨迹。直径300 μm 颗粒流经换热管束时，对第一排管壁迎风面有冲击，大部分颗粒从管排之间的间隙中流过。受管壁面对颗粒反弹的作用，管束间的颗粒运动轨迹较为紊乱，不断冲击管壁造成换热面的磨损。

图7 5 m/s下管路冲蚀与颗粒运动

3.2 颗粒粒径对磨损的影响

图8 所示为不同管排的颗粒平均磨损量随粒径变化关系。结果表明第一排管束后排管束存在明显的差异，具体表现在第一排管束的磨损量随颗粒粒径的增大而增大，后排管束磨损量随粒径的增大先增加后降低。

图8 磨损量随粒径变化情况

这是因为第一排管束磨损主要是由颗粒物直接冲击换热管束造成的冲击磨损，颗粒物直径增大时，冲击动量越大，管壁的塑性磨损量越大；后排管束主要是颗粒物沿受热面平行方向高速冲刷管壁时造成的切削磨损，随着粒径增大，管壁冲蚀效果增强，当粒径继续增大时，颗粒惯性增大，易从换热管之间的间隙中流过，不容易受气流运动与管壁发生反弹和膨胀，导致换热管的磨损减弱。

3.3 不同管束排布下的冲蚀速率

图9所示为不同换热管垂直于流动方向的间距对换热管束平均磨损速率的影响。结果表明，随着横向间距从60 mm增加到80 mm 时，换热管的总平均磨损速率从2.42×10-8kg/（m2·s）降低到8.59×10-9kg/（m2·s），换热管的磨损量大大降低，冲蚀模拟云图情况如图10所示。

图1 电厂锅炉换热器爆管

图9 不同横向间隙下的磨损速率

图10 不同横向间距下磨损情况

换热管间隙减小时，气流流通截面积减小，气流流动速率增加，烟气中的颗粒物与管壁之间的碰撞几率增大，并且由于管束间距较小，颗粒在流道间的反弹作用会进一步增加，使得换热管束磨损加剧。因此，换热器布置时适当增加管束间横向距离有利于减少管束磨损。

图11所示为改变换热器流动方向的间隙时，换热管束平均磨损速率。纵向距离的改变会影响管束后气流漩涡的生成，会影响到管束后的接触疲劳磨损强度。结果表明，当管束纵向间距从80 mm增加到120 mm，管束冲蚀磨损速率变化不明显，8 排换热管束的平均冲蚀磨损速率在1.16×10-8kg/（m2·s）左右。可见，纵向间距不是影响管束冲蚀磨损速率的主要因素。

图11 不同纵向间隙下的磨损速率

图12 所示为换热管束叉排和纵排2 种布置方式时的管束磨损速率，纵排布置时，由于第一排管束的阻碍作用，使得第二排管束磨损量较小，随后由于气流影响和颗粒的反弹作用，管束磨损量增加。插排布置时，第二排管束会受到气流的直接冲刷作用，面平均磨损量略大，下游管排磨损量相接近。

图12 两种管束布置方案下的磨损分布

图13所示为换热管束叉排布置时换热管束磨损云图，结果表明，叉排布置时，管束面磨损量为1.19×10-8kg/（m2·s），高于顺排布置，粒子运动轨迹表明，部分粒子撞击到管排壁面后的反弹作用更明显，管束磨损量越大。

图13 换热管叉排布置

4 结束语

本文通过数值模拟研究了不同排布方式时的换热管束冲蚀磨损情况，在本文研究范围内，得到如下结论。

（1）烟气流经换热面时，会对第一排换热管束造成冲击磨损，颗粒与壁面的反弹作用会加剧下游换热管束的磨损。

（2）壁面磨损量与颗粒粒径有关，第一排管束由于受冲击磨损较强，磨损量随粒径的增大而增大；后排管束受切削磨损影响较强，磨损量随粒径增加先增加后减小。

（3）适当增加管束横向间距有助于减少换热管束的磨损；改变纵向间距，换热管束的平均磨损量基本不发生改变；叉排布置时的换热管束磨损量高于顺排布置。