300MW煤粉锅炉省煤器蛇形管流场及积灰特性分析

卢洪波，辛 东，宋志宇

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.吉林省电力科学研究院有限公司，吉林 长春 130021)

300MW煤粉锅炉省煤器蛇形管流场及积灰特性分析

卢洪波1，辛 东2，宋志宇2

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.吉林省电力科学研究院有限公司，吉林 长春 130021)

对某机组煤粉锅炉的省煤器蛇形弯管及相连管道处积灰进行冷态数值模拟。利用Fluent软件对颗粒相的计算采用单向耦合模型，忽略固相对气相的作用，在不同进口速度和不同节距条件下，得到绕流流场。结果表明：在平行管处，下四根管子积灰严重，在弯管处，上四根弯头积灰严重，下四根弯头磨损严重；随来流速度增大，在平行管处，速度曲线变陡，回流区范围减小，在弯管处，各点速度大小增加，方向不变；随节距增大，平行管处积灰变化复杂，弯管处扰动增强。

省煤器；积灰；气固两相流；数值模拟

在现代锅炉中，各种型号的电站锅炉为了减少昂贵的蒸发受热面，采用廉价的省煤器受热面代替。不少火力发电厂燃用劣质煤，使烟气中含灰量通常较高，容易在省煤器管道形成积灰。积灰不仅影响电厂的热经济性，而且影响省煤器的安全运行[1-3]。因此，对省煤器积灰的研究至关重要。目前对气固两相流绕流柱体的研究主要集中在简单的方柱和圆柱上，如刘洪涛[4]对直方管内气固两相流进行研究，得到了方管内速度分布图和沉积速率。陈懿等人[5]对圆柱绕流进行了直接数值模拟，得到了颗粒在圆柱尾流中扩散的运动机理及影响因素。袁晓豆等人[6]对单个H型翅片管进行了研究，得到了迎风侧和背风侧的速度分布及影响因素。王聪等人[7]利用双拉格朗日模型模拟了气固两相流双圆柱绕流，分析颗粒分布特性与Stokes数的影响。陈申等人[8]通过积灰试验台模拟余热锅炉的烟气，分析烟气温度、流速和飞灰浓度等对飞灰积灰过程的影响，且与本文模拟结论相互印证。对气固两相流绕流蛇形管弯管及相连管道的研究鲜有报道，基于Fluent软件，本研究模拟了冷态下的流场，以分析易积灰部位及影响积灰的因素，以期为工程应用提供指导和建议。

1 物理模型与方案选取

1.1 物理模型

以某300 MW机组省煤器为研究对象，选取部分弯管进行研究。省煤器采用光管蛇形管，管子规格为Φ51×6 mm，材料SA-210C，顺列布置，横向节距为135 mm，纵向节距为102 mm，气固两相流沿Y轴负向流动。为便于研究，定义第一排管与第二排管之间空隙为管间1，第二排管与第三排管之间空隙为管间2，以此类推。

利用Gambit软件对物理模型进行网格划分，进、出口部分采用结构化网格划分，平行管部分先对面进行划分，接着对体进行Cooper，弯管部分则采用非结构化网格，并且对管子表面进行网格加密处理。网格数目约70万，对其进行网格无关性验证，其无关性良好，网格划分结果如图1所示。

1.2 湍流模型和边界条件

假定省煤器内的两相流动为三维、黏性、定常、不可压缩湍流流动。由于省煤器烟气中烟灰体积分数小于10%，故采用Eulerian-Lagrangian模型，湍流模型采用Realizable k-ε模型[9]。方程离散相采用二阶迎风格式，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法[10]。

图1 模型三维图

表1 不同工况下物理参数

边界条件：入口采用速度入口边界条件，出口边界条件选取出气口边界条件，壁面为无滑移壁面边界条件。入口烟气速度定义为9 m/s，颗粒随烟气流动，速度一致。由于流道的对称性，流道的前后及平行管侧采用对称边界条件，弯头侧采用壁面边界条件，模型内部各个面采用内部边界条件。

1.3 方案选取

为了分析省煤器积灰的影响因素，本文从进口速度和管间节距进行研究。省煤器的设计流速一般为7 m/s-11 m/s，本文以9 m/s为基础，同时选取7 m/s和11 m/s为对比工况；节距方面则选取横向节距为102 mm，纵向节距为102 mm和横向节距为135 mm，纵向节距为135 mm。为对比工况，具体工况各项参数见表1。

2 模拟结果及分析

2.1 不同来流速度对积灰的影响

2.1.1 对平行管的影响

当烟气绕圆柱流动时，光管上的边界层在某一位置开始脱离物面，并在光管尾部出现与主流方向相反的回流，回流卷吸颗粒在光管尾部积灰，由于蛇形弯管的影响，平行管与弯管连接部位的径向速度如图2。

图2为工况1-工况3情况下各管间径向速度分布图。由于管子尾部有对称蜗旋，故管间速度为凸型。从图中可以明显看出，管间1到管间4弯曲度高于管间5到管间7，表明管间1到管间4尾部中间部位具有较高的速度，而管间5到管间7则速度较低。烟气卷吸颗粒，在各种力的作用下沉积于光管尾部，在管间5到管间7回流区明显减小，积灰减轻。分析原因是因为受到来自蛇形弯管横向气流的影响，使管间5到管间7尾部烟气受到冲刷，改变原速度方向，致使径向速度减小。

管间1到管间2随着来流速度的增大，回流区中间速度并不受影响，而两侧则减小，使回流区范围减小。分析原因是因为来流速度的增大使管壁上边界层分离点向后移。管间3到管间4随着来流速度的增大，速度曲线弯曲度越大，光管尾部中间速度增大，两侧速度减小，使得卷吸颗粒能力增大，使颗粒更易沉积。管间5到管间7则随着来流速度的增大，速度曲线弯曲度变大，但由于逆向最大速度过小，使逆向速度区间变小，积灰减轻。

图2 不同来流速度各管间速度分布图

图3 弯管部分速度分布图

2.1.2 对弯管的影响

工况1弯管部分的速度分布如图3所示，来流速度增大时，各点速度方向不变，大小增加。当烟气流经弯管时，弯管之间空间变大，为了满足不可压缩流体的连续性要求，烟气势必会产生一个X向(管子轴向)速度；管间烟气沿管子轴向流动到弯头时，曲面边界层分离现象出现，某一位置出现小片回流区域；上三根管子的弯头部位，由于烟气纵向流动和管子的几何结构，在弯头内侧容易积灰，下三根管则由于高速烟气的冲刷不易积灰。

图4为工况1下管间5到管间7弯头处速度矢量图，烟气经过纵向加速，到达弯头时具有较高速度，对弯头内侧进行冲刷，颗粒碰撞壁面，对其造成磨损，磨损量与速度成正比。管间5烟气速度较低，受到离心力小，且水平距离短，故速度方向为管子轴向，而管间6和管间7高速烟气先对光管上侧冲刷，在离心力作用下，烟气方向改变，对光管下侧冲刷，积灰减轻，磨损增大。

图4 弯头速度矢量图

2.2 不同节距对积灰的影响

2.2.1 对平行管的影响

图5 不同节距管间速度分布图

图5为工况2、工况4和工况5下各管间径向速度分布图。工况2与工况4相比，在管间1和管间2时工况4的速度均大于工况2，曲线弯曲度比较大，故工况4情况下管子上部不易积灰；而工况5则趋于平缓，且回流区域较大，颗粒被卷吸后沿径向运动，动能较低，碰撞后沉积，积灰严重。工况2和工况5在管间3曲线相似，工况5则没有呈现出凸型，表明回流区的对称蜗旋发生变形。管间4在工况4情况下有较大的回流区，径向速度小，容易积灰，而工况5则呈现出较小的回流区和较低的速度。工况4和工况5在管间5均没有回流现象，管子正面积灰较严重。而在管间6和管间7，工况4具有较大的回流范围，工况5则不出现回流，且具有较高的速度对管子迎风面进行冲刷，使之磨损加重。

图6 不同节距弯头湍强分布图

2.2.2 对弯管的影响

烟气流过蛇形弯管时，经过纵向的加速，到达下部弯管时具有较高的速度，颗粒对壁面碰撞，但不沉积，故下部弯管磨损严重，积灰较轻，积灰主要发生在上部弯管。

随湍流强度的增强，壁面积灰减轻，分析原因是因为湍强的增大致使气流的脉动速度得到增大，从而使颗粒的湍流扩散作用得到了增强，致使一部分本应该与壁面碰撞沉积的颗粒受到湍流脉动的影响，反而远离壁面，碰撞率的降低致使积灰得到减轻。

工况2、工况4和工况5蛇形弯管上部湍强，如图6所示。工况2和工况4相比，各个弯头之间的湍强均较低。这是因为横向节距的减小，使管子横向截面面积减小，致使烟气横掠管壁的速度得到了增大，烟气不易被卷入弯管内进行扰动。工况4与工况5相比，各个弯头之间的湍强较低，而工况4湍强分布均匀，工况5沿流动方向不均程度增大，弯头外侧湍强高，内侧湍强低。这是因为纵向节距的增大，使原先不能进入弯头之间进行扰动的烟气得以进入进行扰动，而工况5湍强的不均匀是节距的增大使烟气更能响应重力的作用效果。

3 结 语

省煤器烟气中灰熔点较低已凝固成固体颗粒，积灰为松散灰。本文运用模拟软件对省煤器积灰因素进行模拟，在忽略温度影响前提下得出一些具有参考价值的结论。

(1)在平行管处，光管5到光管7积灰大于光管1到光管4。在弯管处，上四个弯头积灰大于下四个弯头，且积灰主要发生在弯头内侧与外侧的边界层分离点处，而下四个弯头磨损严重，集中在弯头内侧和与平行管相接处。

(2)在平行管处，随来流速度减小，速度曲线趋于平缓，最大速度基本不变，使回流区范围增大，卷吸颗粒能力上升，积灰增大。在弯管处，随来流速度增大，各点速度大小增大，方向不变。

(3)在平行管处，随横向截距的增大，管间1和管间2速度减小，积灰加大，管间3到管间5最大速度增大，回流得到加强，而管间6和管间7速度稍有降低；随纵向节距增大，管间1和管间2速度减小，曲线趋于平缓，管间6和管间7则沿烟气流动方向速度增大，磨损加重。在弯管处，随节距的增大，扰动明显增强，积灰减轻。

[1] 丁虹，何雁飞，陈增宏.省煤器积灰原因分析及改进措施[J].工业锅炉，2012，131(1)：30-34.

[2] 卢洪波，张超，刘峰，等.锅炉低温省煤器水侧串并联方案的优化选择[J].东北电力大学学报，2015，35(4)：20-25.

[3] 周霭琳.低温换热器系统的腐蚀积灰试验研究[D].杭州：浙江大学，2014：22-40.

[4] 刘洪涛.气固两相流中微细颗粒沉积与扩散特性的数值研究[D].重庆：重庆大学，2010：73-114.

[5] 陈懿，樊建人，任安禄，等.三维气固圆柱绕流颗粒扩散的直接数值模拟[J].浙江大学学报，2007，41(3)：484-488.

[6] 袁晓豆，史月涛.气固两相流绕流H型翅片管流动及积灰特性的数值模拟[J].山东大学学报，2012，42(2)：112-116.

[7] 王聪，陈斌，郭烈锦，等.双拉格朗日模型模拟气固两相双圆柱绕流[J].西安交通大学学报，2009，43(1)：77-80.

[8] 陈申，张衍国，李清海，等.硅微粉在余热锅炉受热面上积灰的实验研究[J].锅炉技术，2014，45(5)：4-8.

[9] L.P.PANG，B.M.SUN，E.S.MARTHA.Using CFD to simulate heater fouling in a utility boiler[J].Proceedings of the CSEE.2004，24(10)：219-223.

[10] 陈述国.省煤器磨损影响因素分析与数值模拟[J].电力学报，2012，27(1)：85-88.

Analysis of Flow Distribution and Ash Deposition Property on

Serpentuator in Economizer of 300 MW Pulverized Coal Bolier

Lu Hongbo1，Xin Dong1,Song Zhiyu2

(1.Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Jilin Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Changchun Jilin 130021)

In order to assess the ash deposition on the serpentine and connected pipe of economizer in a 300MW pulverized coal bolier，a cold numerical simulation was carried out.The unidirectional coupling model was used to solve the gas paticle flow by ingoring the influence of the solid phase on the gas phase.The flow field was obtained and analyzed under the condition of given different inlet velocity and pitch.The results showed that the ash deposition about the four pipe on the bottom was serious in the parallel tubes.In the serpentine，the ash deposition about the four elbow on the top was serious and the abrasion was focused on the four elbow on the bottom.With the increase of flow velocity in the parallel tubes，speed curve steepened，and reflux zone decreased.At various points in the the serpentine，the velocity increased and the direction was constant.With the increase of pitch，the ash deposition on the parallel tubes was complex and the disturbance of fluid increased in the serpentine.

Economizer；Ash deposition；Gas-solid flow；Numerical simulation

2016-11-12

吉林省科技发展计划重点资助项目(20110409)

卢洪波(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：电站锅炉节能技术、高效清洁燃烧技术.

1005-2992(2017)01-0034-06

TK223

A

电子邮箱： luhongbo129@163.com(卢洪波)；wuzhixindong@163.com(辛东)；472478435@qq.com(宋志宇)