基于热电气联产机组的压缩空气吹渣系统性能研究

2021-11-10龚俊李凯章平衡王嵩耸孙坚

中国设备工程 2021年20期

龚俊，李凯，章平衡，王嵩耸，孙坚

（嘉兴新嘉爱斯热电有限公司，浙江嘉兴 314016）

1 前言

生物质锅炉采用的燃料中经常包含大量异物（泥沙、石块及铁块等），其进入炉膛后难以燃烧，将随着炉渣经落渣管向外排出。然而，大块异物的存在常常会造成落渣管发生堵塞。落渣管一旦堵塞，锅炉冷渣器失去排渣能力，此时，需要现场运行人员进行人工疏通。作业过程中，不仅造成环境污染与热量损失，而且高温的炉渣容易烫伤工作人员，存在安全隐患，严重时可能撕裂与其相连的水冷壁，致使被迫停炉。因此，落渣管堵塞已对生产运行造成了严重的影响。

压缩空气具有超高压力，释放时能产生强大的冲击力，能够有效吹走落渣管内堵塞的灰渣。同时，压缩空气的释放可通过电动阀门远程操作，保证了运行人员的安全。因此，空气炮技术在清堵吹灰领域已经得到了广泛的应用。王晓琴等针对煤仓堵塞现象，通过增设空气炮利用0.4～0.8MPa的压缩空气产生强烈冲击波，使黏连的煤料再次恢复重力流动。使用记录表明：引起空气压力波动最大值为0.1MPa，就地压力一般在5～6s即可恢复到0.4MPa的正常压力。金永飞等建立空气炮喷爆的数学模型，采用数值模拟手段研究初始压力对煤仓清堵堵过程的影响。分析结果表明，初始压力越高，空气炮产生的冲击力越大，清堵效果越好。当初始压力为0.8MPa时，清堵效果最佳。苏红星等开展了空气炮的优化研究，所得结论为：增加炮管长度可以有效减小压缩空气的初始压力和体积，从而降低发射成本，提高系统的安全性。朱建安等针对不同充气压力开展了喷爆过程的试验研究，通过空气炮冲击力数据采集系统，得出了空气炮喷爆达到最大冲量时的充气参数。当充气压力为0.6MPa时，空气炮的喷爆状态比较理想，能够得到较好的清堵效果。

然而，压缩空气发生装置的安装使用需要一定的成本投入，并且增加了系统的复杂性与运行维护费用。热电气联产机组中，使用汽轮机排汽带动空气压缩机产生压缩空气供用户使用。因此，可从压缩空气供给管路中接出分路用于落渣管的吹渣。基于上述思路，设计了新型落渣管吹渣系统，其具有节约成本、简化系统以及安全运行的特点。同时，通过数值模拟研究了吹渣系统的性能表现，分析了初始压力与流通管径对吹渣性能的影响规律。

2 吹渣系统设计

在热电气联产机组中，锅炉燃烧产生蒸汽带动发电机发电，汽轮机排汽的一部分通过供热管道供用户使用，另一部分带动空气压缩机产生压缩空气供用户使用。带有较高压力的压缩空气可作为吹渣过程的起源，因此，从压缩空气供气母管引出一路接至高压储气罐。锅炉排渣在炉渣管内发生堵塞时，开启储气罐出口的电动球阀使压缩空气通入炉渣管内。此时，关闭落渣管底部的电动闸阀，防止压力的损失以及对下游冷渣机的损伤。压缩空气产生强大的冲击可使堵塞的灰渣被吹走，进而疏通炉渣管。完成后，关闭储气罐出口的电动球阀，使压缩空气再次充满高压储气罐，准备下一次的吹灰；打开落渣管底部的电动闸阀，灰渣顺利落入冷渣机进行冷却（图1）。

图1 基于热电气联产机组的压缩空气吹渣系统

3 计算模型与数值方法

选取高压储气罐至落渣管段进行数值模拟，压缩空气通过管道进入落渣管的流动过程采用ANSYS FLUENT 17.2进行瞬态模拟。采用GAMBIT软件对图2所示的计算域进行网格划分。其中，高压储气罐与落渣管的连接管采用直径50～90mm的钢管，压缩空气初始压力为0.4～0.8MPa，落渣管直径为259mm。

图2 计算区域示意图

启用因适量计算负荷而广泛应用于工程计算的标准k-ε湍流模型与标准壁面函数。空气定义为理想气体，满足理想气体状态方程；通过Patch功能设置压缩空气的初始压力。假设落渣管顶部出现堵渣，出口定义为壁面。假设空气膨胀过程为绝热过程，因此，壁面条件采用绝热壁面。压力-速度耦合采用SIMPLE算法。除了k-ε湍流方程采用一阶迎风格式，其余控制方程的空间离散均采用二阶迎风格式。

以文献中[16]的空气炮喷射试验数据进行模型验证，其中空气炮高压体积室体积为100L，炮管直径为78mm，炮管长度为800mm。高压空气室的初始压力为0.9MPa，空气炮发射后，在其9m处开始布置风速测点，间隔为0.2m。空气流速的计算结果与试验测量值的对比如图3所示。相应测点的射流速度与计算值基本吻合，平均误差为8.6%；最大误差发生在9.8m处，误差为12.5%。由此认为，本文采用的数值模拟方法具有较好的准确性。

图3 数值模拟结果与实验关联式结果对比

4 计算结果与分析

4.1 初始压力

当吹渣阀门启动后，带有初始压力的压缩空气经连接管高速流入落渣管内，此时，落渣管堵灰处的压强逐渐升高。图4为落渣管堵渣处压强随时间的变化。由图可知，落渣管堵灰处在149ms时压强达到最大，为238231Pa。随后，压强有所下降，并保持小幅波动。这是因为随着压缩空气的释放，储气罐内的压力逐渐减小，空气流动的推进力减弱。由于压缩空气入口下方留有一段空间，该区域形成低压区。当储气罐内的压力不足以维持空气的推进时，落渣管上部空气流向下部低压而使吹渣压强有所降低。落渣管内压力有所降低后，压缩空气再次被推进落渣管使吹渣压强有所增强。如此往复，便形成了最渣压强的小幅波动。

图4 落渣管堵渣处压强随时间的变化（0.5MPa，70mm管径）

图5 为不同初始压力下的最大吹渣压强。从图5中可以看到，随着初始压力的增加，堵灰处的最大吹渣压强不断升高。当初始压力为0.4MPa时，最大吹渣压强为191427Pa（约0.19MPa）；而当初始压力为0.8MPa时，最大吹渣压强达到378970Pa（约0.37MPa）。因此，初始压力越大，系统吹渣能力越强。然而，初始压力越大，压缩空气的压力损失也越大。相比0.4MPa初始压力的工况，0.8MPa初始压力下，压力损失额外增加3833Pa。压力损失的增加将导致系统效率的下降。

图5 不同初始压力下的最大吹渣压强

4.2 流通管径

前文提到，压缩空气阀门开启后，落渣管堵灰处的压强随着时间逐渐升高。图6所示的不同时刻下落渣管内的压强分布再次展示了这一现象。根据图6，随着时间的增长，落渣管内的压强不断升高。在30ms时，堵渣处最大吹渣压强仅为68147Pa；当时间为150ms时，堵渣处最大吹渣压强上升至238226Pa。因此，压缩空气阀门开启后，堵灰将在极短的时间内受到强大冲击而被清除。在同一时刻，落渣管内的压力基本呈现从下往上逐渐增大的分布。这印证了上文所述的低压区域分布情况，也是后期压力波动的主要原因。

图6 不同时刻下落渣管内的压强分布（0.5MPa，70mm管径）

图7 为不同管径下的最大吹渣压强。由图可知，连接管管径在50～90mm范围内变化时，堵灰处最大吹渣压强略有波动，但幅度较小。80mm管径条件下吹渣压强极大值240078Pa与90mm管径条件下吹渣压强极小值236321Pa，仅相差1.6%。因此，在50～90mm范围内管径对最大吹渣压强的影响很小。产生上述变化的原因在于，沿程阻力与局部阻力变化趋势的不同。小管径下，局部阻力较小，而压缩空气流速较大导致沿程阻力较高。管径增大，沿程阻力减小，吹渣压强降低。当管径进一步增大，局部阻力的增加占据主导，吹渣压强升高。在此基础上，管径再增大时，压缩空气流速明显降低，沿程阻力的降低占据主导，吹渣压强再次降低。