600MW机组锅炉低温再热器连接管磨损的模拟分析

　　火电机组锅炉运行过程中的水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管(通称四管)破裂,严重影响锅炉运行的安全性,同时也会引起停炉检修,降低机组经济性[1]。对于水冷壁管的磨损,一般有两种情况:一是水冷壁管与耐火材料交界处的磨损。携带大量飞灰的高温烟气回流沿着炉膛水冷壁向下流动,引起管壁的正常磨损。二是如果遇到凸台突然改变方向,形成旋风状涡流,则会引起水冷壁非正常磨损,严重的在2~3个月内就会磨穿管壁。通过消除凸台,同时对磨损较为严重的管壁表面进行热喷涂可以有效减少水冷壁的磨损[2]。对于过热器、再热器和省煤器等对流管束的磨损则是烟气携带的飞灰冲刷引起的,包括烟气流动时的磨损和吹灰引起的磨损。

　　锅炉运行过程中,为了减少对流受热面管壁的磨损,一般在烟道或管壁上安装防磨装置,如防磨鳍片、防磨瓦、防磨罩、防磨圆条、防磨角钢、防磨环等[2,3]。针对飞灰碰撞引起的锅炉管束磨损问题已有较多的研究[4~15],但以往研究一般把流场简化为均匀来流的单管或多管绕流[13~16],忽略了锅炉结构对烟道气固两相流分布的影响,因此很难对锅炉管在实际运行过程中的磨损分布进行预测。本文针对北仑电厂600MW机组锅炉建立了包括炉膛和烟道的三维模拟模型,对低温再热器及其与高温再热器连接管束的磨损受炉内气固两相流的影响进行研究,从而为优化防磨装置安装提供指导。

　　1　计算模型

　　计算模型网格划分截面如图1所示。模型取折焰角下方10 m的截面作为入口,标高为FL50050的烟道截面作为出口,模型厚度210 mm,即取两排低温再热器(低再)I管排作为计算对象。模型采用三维正交结构化网格进行网格划分,共有节点106万个,单元71万个。低再I与高温再热器(高再)之间的连接管位于炉膛出口、前烟道入口附近,连接管外径50.8 mm,厚度3.5 mm,屏距283.5 mm,层距69 mm;低再I管尺寸与连接管相同,管屏距141.75 mm。由于连接管结构相对较复杂,为了将计算量控制在合理的范围内,对管束进行了简化建模。实际连接管由两屏合成一屏,每屏8根,因此单屏连接管有16根,分成3组(图2a)。对于顺列排布管束,磨损主要发生在第1层管上。在简化模型时,仅取每组的前两根进行磨损模拟[1],共6根低再I管(图2b),每排低再I管由8根减少为3根,合屏后同样分成3组,间距与实际连接管相同。没有对连接管上方与高再连接处一屏分成两屏的结构进行建模。

　　根据烟气流量计算得到入口速度为7.538 m/s;出口压力设置为0,并且定义环境压力为0;定义锅炉管、炉膛和烟道的前后壁,以及前后烟道隔板为固定壁面,同时在壁面定义分散相颗粒的边界条件为反弹,颗粒与壁面相碰时可以顺利反弹入流体;在左右两个切面上施加对称边界,该面上法向速度和压力梯度为0;定义飞灰颗粒从流体入口均匀射入,射流总质量流量为0.105 kg/s,飞灰密度为1 666 kg/m3,颗粒粒径服从Rosin-Rammler分布,取飞灰颗粒平均粒径为14μm,分散系数取3,初始速度与流体初始速度相同;定义出口边界为颗粒的非反弹边界,即颗粒和涡结构可以顺利通过这些界面而不致反弹。采用Euler-Lagrange方法与标准k-ε双方程模型相结合模拟计算气固两相湍流。