摘要：低温省煤器是提高燃煤电站发电效率的余热回收设备，典型低温省煤器换热管结构包括光管、环形鳍片管、螺旋鳍片管、矩形鳍片管和H型鳍片管。本文针对这5种换热管结构的流动及磨损特性展开数值模拟研究，获得了流动、阻力及磨损特性。本文结果对燃煤电站低温省煤器换热管优化及积灰磨损分析具有一定的工程指导意义。
关键词：低温省煤器；换热管；阻力；磨损
0引言
低温省煤器是位于锅炉尾部烟道内的一种换热设备，锅炉尾部烟道内的烟气绕流省煤器换热管束，与管内的锅炉给水发生热量交换，从而在加热给水的同时，降低了锅炉排烟温度，锅炉效率因此获得了提升。低温省煤器换热管外表面通常铸有用于扩展受热面积的鳍片，以增强换热，常见的鳍片管包括环形鳍片、螺旋鳍片、矩形鳍片和H型鳍片等。由于烟气中飞灰量较高，省煤器安装位置处烟气温度较低，飞灰颗粒的硬度大，颗粒对换热管壁面的磨削作用较强。因此，飞灰磨损失效而导致的省煤器换热管爆漏事故在锅炉爆漏事故总数中占有最大的比重。而我国动力燃煤的煤质较国外偏差，平均灰分含量高达28.6%，磨损的问题更加严重。
国内外学者针对省煤器管束的流动及模型特性展开了大量研究。吕薇等[1]总结了飞灰的浓度与物理性质、烟气流速、管束结构等因素对电站锅炉省煤器受热面磨损的影响，并提出了相应的防磨建议。丁立新等[2]利用数值模拟的手段对黄岛电厂一台400t•h-1锅炉的叉排省煤器管束进行了数值模拟，通过对烟气流速的定性分析，得出了磨损最大的管排数为第2~4排的结论。杨建球[3]对连州发电厂两台420t•h-1锅炉低温省煤器进行防磨改造方案的探讨，认为鳍片管省煤器、膜式省煤器的防磨机理均为扩展受热面以降低烟气流速，但鳍片管省煤器的防积灰性能较差。邓志成等[4]归纳了一些影响省煤器受热面飞灰磨损的因素，包括不同的换热管直径与管束节距、烟气走廊形成与否、管束的顺排或叉排布置、是否加装鳍片等，并提出了对应的防磨措施。
但省煤器典型换热管结构的流动、阻力及磨损特性的对比研究还比较少。为此，本文对锅炉尾部烟道内的烟气外部绕流典型换热管的流场展开三维数值模拟计算，获得不同鳍片型式下换热管壁面的磨损特性，进而横向对比不同型式鳍片防磨性能的优劣。本文旨在为典型换热管的设计优化及降阻防磨提供工程指导。
1.几何模型与数值模拟方法
如图1（a）所示为计算烟气绕流单个光管时所用到的几何模型，其中：管外径D=42mm，取上下游长度分别为L1=300mm，L2=500mm，以排除上游因素影响并使下游流场尽量得到充分发展，其余各尺寸见图中标注。鳍片管模型的各关键尺寸均与上述光管模型一致（此时D表示主管外径）。本文涉及鳍片型式包括：环形鳍片、螺旋鳍片、矩形鳍片、H形鳍片，其中鳍片厚度统一设定为2mm。如图1（a）所示，入口边界定义为vin=7m•s-1的速度入口，出口边界则选择表静压pout=0的压力出口，主管外表面以及与主管轴线平行的两侧壁均定义为绝对粗糙度K=0.4mm的固壁边界，与主管轴线垂直的两侧壁则定义为一对平移周期性边界条件，以减少计算量，节省时间。
本文气固两相流模型采用欧拉-拉格朗日框架下DPM离散相模型，磨损模型采用Tulsa大学的磨损模型[5]。利用Gambit对光管和不同鳍片单管模型划分混合网格，以图2所示的单个光管模型的网格划分为例，对接近入口和出口的区域采用六面体结构网格划分方式以提高计算效率，核心计算区域则采用由面到体的网格生成方式，即首先对计算精度要求最高的主管壁面（及鳍片表面）进行局部网格加密，再根据面网格生成四面体非结构网格。以单个光管模型为代表进行网格无关性验证，选用管外壁面平均磨损作为参考标准，计算发现采用100万以上的网格数量所对应的网格划分方式，可以在保证一定准确性的同时，最大程度地加快运算速率。
2.流动阻力及积灰特性研究
图3所示为烟气绕流单个光管及不同型式鳍片单管时模型进出口的总阻力损失，结合图4所示的截面流线图进行分析，可以看出：从烟气绕流光管及各类鳍片管的截面流线图上均可以观察到明显的涡街脱落现象，阻力损失的大小即主要取决于尾迹区的面积和涡流强度；烟气绕流各鳍片单管的阻力损失较绕流光管时均有所增加。
积灰容易发生在低速漩涡形成区域（例如管子的背风面），此时烟气中的细小固体颗粒被主流夹带，极易被卷吸进漩涡区中，最后在管壁发生沉积。在此理论的基础上，分析图4所示的单个光管与各类鳍片单管附近的流场，可以看出：无鳍片光管背风侧低速漩涡面积大且稳定，因而此处积灰应比较严重；矩形鳍片管、环形鳍片管的鳍片方向与主流方向一致且尾流漩涡较弱，因此背风面的防积灰性能较好；H形鳍片管除了具有矩形鳍片管的优点外，其鳍片开缝处的主管表面还有一个垂直于主流、沿开缝的流动，可以冲扫壁面，从而使积灰更少；螺旋鳍片管的鳍片方向与主流方向存在夹角且夹角不断发生改变，积灰不易清扫，因而其防积灰性能较矩形、环形、H形鳍片管要差。
(b)不同型式鳍片的尺寸
图1 几何模型的建立与边界条件的定义
图3 烟气绕流光管及不同型式鳍片单管时的总阻力损失对比
3.单管外壁面磨损规律
定量计算了单个光管模型管外壁面、各类鳍片单管模型主管外壁面的平均磨损并加以对比，如图5所示。就单管而言，H形鳍片管、螺旋鳍片管，以及矩形、环形鳍片管较光管而言并没有表现出减磨效
果。事实上，添加H形、螺旋形、矩形、环形鳍片后流体的绕流作用，均可使煤灰颗粒撞击主管壁面时的撞击角变小（当然，仍大于临界撞击角），从而导致鳍片管主管外壁面的磨损反而较光管外壁面增大；相对而言，在上述五种鳍片结构中，H形鳍片具有最好的防磨性能。
（a）光管；（b）环形鳍片管；（c）矩形鳍片管；（d）H型鳍片管
图4烟气绕流光管及不同型式鳍片单管时的截面流线图
图5光管及不同型式鳍片单管主管壁面的平均磨损对比
由可视化的单管外壁面磨损云图（图6）分析光管及各种型式鳍片单管的磨损区域分布特点。可以看出：（1）无鳍片光管：磨损较明显的区域集中在迎风侧与来流方向呈0~45°的区域内，其中磨损最大区域位于15~45°之间；（2）矩形、H形、环形、螺旋鳍片管：主管壁面与鳍片相接区域的磨损均较小；各鳍片狭长的迎风面磨损均很大；H形鳍片管与矩形鳍片管相比，可见鳍片开缝处主管壁面的磨损显著下降，这是由于鳍片开缝处来流不会因为鳍片的阻挡发生绕流，因此可以从与壁面更接近直角的角度撞击壁面的缘故，而撞击角为直角时的磨损率是最小的。
(e)环形、螺旋、矩形、H形鳍片管
图4-9光管及不同型式鳍片单管外表面的磨损云图
4结论
集成低温省煤器是提高燃煤电站发电效率的主要手段之一，低温省煤器由换热管构成，其阻力及磨损特性对低温省煤器的安全可靠运行至关重要。为此，本文建立了光管、环形鳍片、螺旋鳍片、矩形鳍片和H型鳍片等几种形式的换热管计算模型，计算获得了流动阻力特性、防积灰特性及磨损特性，对比研究发现H型翅片管较其他类型换热管阻力小、积灰少、磨损轻。
参考文献
[1]吕薇，李瑞，扬路等.电站锅炉省煤器磨损因素分析及防磨建议[J].热能动力工程.1997(02)：38-40.
[2]丁立新，崔欣，赵斌等.省煤器错排管束飞灰磨损情况的预测分析[J].山东建筑工程学院学报.1998(04)：57-62.
[3]杨建球.420t/h锅炉省煤器泄漏原因分析及其改造方案的探讨[J].广东电力.2003(04)：79-81.
[4]邓志成，杨宇，徐开义.电站锅炉省煤器结构变化对飞灰磨损影响的研究[J].发电设备.2004(01)：7-10.
[5]Tabakoff W, Kotwal R, Hamed A. EROSION STUDY OF DIFFERENT MATERIALS AFFECTED BY COAL ASH PARTICLES[J]. WEAR. 1979, 52(1): 161-173.
论文作者:张国柱
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/24
标签：省煤器论文; 磨损论文; 烟气论文; 矩形论文; 模型论文; 环形论文; 阻力论文; 《电力设备》2018年第23期论文;