超超临界塔式锅炉受热面优化研究

0 引言

百万超超临界塔式锅炉低温区域受热面U型弯头、穿墙管在运行中极易产生磨损，严重时易产生锅炉爆管等恶性事故。本文通过总结检修经验和技术调研，对百万千瓦机组锅炉低温区域受热面U型弯头提出退台布置优化，利用CFD数值模拟对锅炉受热面进行研究和优化。通过设计优化受热面布置方式、适当位置增设阻流板及防磨护瓦，全面提高了机组的安全运行性能，具有一定的现实意义和推广价值[1-3]。

1 工程介绍

皖能铜陵发电有限公司现装有两台1 000 MW级超超临界机组，锅炉采用的变压运行螺旋管圈直流炉，采用一次中间再热，单炉膛单切圆燃烧，平衡通风，露天布置，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构塔式炉。锅炉炉膛宽度21.48 m，深度21.48 m，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。炉膛上部依次布置有一级过热器、三级过热器、二级再热器、二级过热器、一级再热器、省煤器。

一级再热器布置在炉标高92.95～99.98 m处，受热面由178×8片屏组成，管排横向节距120 mm、纵向节距95 mm，受热面U型弯头管中心线距前后墙水冷壁管排间距150 mm，烟气平均流速BMCR工况9.3 m/s、THA工况6.0 m/s。

省煤器布置在炉标高99.86～107.38 m处，受热面由178×8片屏组成，管排横向节距120 mm、纵向节距80 mm，受热面U型弯头管中心线距前后墙水冷壁管排间距120 mm。省煤器进出口集箱穿墙管加装长度为60 mm套管，套管深入炉内43 mm，烟气平均流速BMCR工况6.6 m/s、THA工况6.0 m/s。一级再热器、省煤器受热面布置见图1。

图1 一级再热器、省煤器受热面布置图

图2 一级再热器进口穿墙管泄漏

图3 省煤器进口穿墙管磨损

锅炉一级再热器进口穿墙管泄漏，见图2，泄漏蒸汽又将附近一级再热器管屏和水冷壁管吹损，停炉后检查发现除首爆泄漏管外，其余一级再热器进口穿墙管均磨损严重。

省煤器进口穿墙管两侧磨损，经测厚在5.0 mm以下有17处(省煤器原始壁厚为6.5 mm，测厚最低值为2.8 mm)，磨损严重部位见图3红圈标识。

2 磨损原因分析

锅炉燃烧设计煤种收到基灰分29.99%，飞灰中SiO2含量为56.46%、Al2O3含量为34.53%，这两种物质具有相当高的硬度。一级再热器及省煤器布置在塔式锅炉上部区域，该区域烟温较低，飞灰颗粒硬度较大，携带有飞灰颗粒和燃烧不完全的燃料颗粒的烟气不断冲刷一级再热器、省煤器进出口穿墙管和U型弯头，形成泄漏和磨损。而一级再热器、省煤器进出口穿墙管、U型弯头等处检修空间狭窄，很多区域开天窗后也无法全面检测，极可能留下隐患死角。前三次检修采取了对磨损超标的管子进行更换、加装防磨护瓦(护瓦做喷涂处理)、阻流板等防范措施，但仍不能根本解决受热面磨损减薄问题。更换管子及加装防磨护瓦需对后墙水冷壁开天窗，换管及加装防磨护瓦十分困难，施工工作量大，检修成本高，且检修质量很难保证。例如，2012年一级再热器进口穿墙管检修期间，为更换缺陷管，不得不在锅炉后墙、左右侧墙水冷壁处开天窗(后墙的178根和两侧的16根水冷壁管)，焊口总数达到1000多道。

3 CFD技术

计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)是当代发展迅速的一门学科，它着重研究运用电子计算机解决流体力学问题的各类数值计算方法。

Navier-Stokes 方程从理论上概括了自然界的一切流体流动现象，然而工程实际中绝大多数流体力学问题是高度非线性的，对于大多数体系，通过求解此微分方程获得流体力学的解析解是不可能的。随着电子计算机的迅速发展，人们试图用数值方法直接求解各类控制方程和边界条件来解决具有强烈非线性的大量流动现象，工业界也要求采用数值模拟手段来解决各类设计和计算问题，从而形成并发展了计算流体力学这一学科分支。70 年代末期，化工开始引入计算流体力学，早期仅限于研究单相流的流动过程。随着计算机的推广、软硬件的发展、计算方法的发展、计算理论的不断完善及对化工过程不断的深入研究，CFD 现已能对复杂的流动体系进行描述。尤其近十几年来，基于数值计算的计算流体力学已逐渐成为化工研究与设计的强有力的辅助工具。CFD 包含了数学、计算机科学、工程学和物理学等多种学科的知识，可以提供建立流体流动模型的方式和方法。

目前 CFD 能够分析与研究在各种复杂几何形状的空间(装置)内、外发生的下列工程问题：

1)气－固、液－固、气－液、液－液等多相流的流体流动(增湿塔、气力输送等)；

2)多孔介质流；

3)化工反应流；

4)高温传热(导热、对流、辐射换热、流固耦合传热)；

5)煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混合及多氧化流燃烧(如燃烧器、分解炉、烘干炉等)；

6)爆炸、爆燃和着火(如煤粉仓的爆炸与防治)；

7)环保(气体、水污染的扩散与防治、脱硫等)。

通过 CFD 的计算研究可以为工程设计、生产管理、技术改造提供所必需的参数，如流体阻力(阻力损失)，流体与固体之间的传热量(散热损失等)，气体、固体颗粒的停留时间、产品质量、燃烬程度、反应转化率、处理能力(产量)等综合参数，以及各种现场可调节量(如风量、风温、组分等)对这些综合参数的影响规律性。还可以提供流动区域内精细的流场(速度矢量)、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，发现现有装置和设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供理论依据。

CFD 的应用减少了试验测试次数，节省了大量资金和时间，并能解决某些由于试验技术所限难以进行测量的问题。特别是大量 CFD 软件的出现，大大减少了 CFD 研究的工作量，降低了对计算机知识的要求，使更多的研究者可以使用 CFD 这一工具研究流体问题，从而扩大了 CFD 的应用范围，推动了流体力学深入发展。

计算流体力学数值模拟的主要步骤为：首先由流体力学、热力学及传热传质学等基本原理建立质量、动量、能量、组分及湍流特性等守恒方程组，构成基本方程组；其次，由问题的物理特征出发确定计算域，并给定计算域进出口条件和边界条件，并由实验或物理概念的基本假设出发，使基本控制方程组封闭；然后对以上封闭了的非线性基本控制方程组进行离散化，制定求解方法，并结合计算技巧编写和调试出相应的程序；最后把模拟预报结果和实验结果相比较，并通过反复调试和修改，不断地改进模型及解法，直到获得较为满意的结果。

4 优化目标

在机组投产后三次检修中发现，锅炉低温区域受热面一级再热器、省煤器进出口穿墙管、U型弯头等部位磨损情况较严重。因一级再热器、省煤器受热面管排布置密集，弯头与炉前后墙水冷壁间隙小，所有管排、U型弯头安装防磨护瓦难度大，受施工空间、技术等因素限制，难以保证受热面检查检修不存在遗漏死角，通过总结检修经验和技术调研，提出一级再热器、省煤器受热面管排U型弯头退台布置设计优化方案，见图4，改进磨损区域内受热面U型弯头处的布置形式，方便受热面管排检查和更换受损管子。同时利用CFD和计算传热学等理论，采用计算机数值模拟研究，在工作站上利用通用CFD软件计算锅炉从再热器入口到省煤器出口段内速度分布和流线分布，提出减小受热面磨损问题的阻流板布置方案，以达到采用增设适当的阻流板改善流场，以避免带来更进一步的一级再热器、省煤器受热面磨损问题。

图4 改进后受热面弯头的布置形式

5 分析方法

5.1 计算用的几何模型与网格划分

此次计算的锅炉建模由三维CAD软件Inventor完成，其几何尺寸按照实际受热面1∶1设置，从底部位置开始。

5.2 计算前的简化工作

实际锅炉内的流动十分复杂，对其在一定精度上的数值模拟，可作烟气为不可压缩流体的假设。

5.3 计算所使用的模型

在计算中选取以下的计算模型进行计算。

1)烟气流场控制方程：选取标准k-ε湍流模型进行模拟。

2)烟气运动方程：由于烟气体积分率低于10%，可以选用拉格朗日颗粒轨道模型(discrete phase model)进行模拟，考虑重力以及曳力对于粉尘运动的影响。平均粒径取2 mm。

3)考虑烟气与颗粒之间的相互扰动与动量传递。

6 实际应用

一级再热器和省煤器进出口穿墙管、U型弯头磨损主要是烟气走廊引起的，为了根本防止烟气走廊的磨损，主要的措施是减少炉膛截面速度不均匀系数，从空气动力结构上使通流阻力相同，使整个断面烟速趋于均匀。

采用省煤器假管配合阻流板的方案。在省煤器端部设置箱型假管，在一级再热器、省煤器出口烟气走廊加装阻流板，阻流板布置位置：下再热器上200 mm，上再热器上200 mm；下省煤器上200 mm，上省煤器上200 mm。阻流板形式见图5，阻流板及箱型假管布置位置见图6。

图5 阻流板结构图

图6 阻流板及箱型假管布置位置示意图

仅采用阻流板的方案。在一级再热器、省煤器出口烟气走廊加装梳形阻流板，阻流板布置位置：下再热器下200 mm，下再热器上500 mm，上再热器上500 mm；下省煤器上500 mm，上省煤器上300 mm。阻流板形式见图5，阻流板布置位置见图7。

在局部管束弯头和穿墙管位置加装护瓦或套管，结合CFD数值计算结果，在烟气流速较高的局部管束弯头位置加装护瓦，在穿墙管外安装套管，在局部管束表面使用防磨材料或防磨涂料。

7 结论

一级再热器、省煤器受热面U型弯头退台布置采用箱型假管配合阻流板的方案虽可以很大程度地降低管束与水冷壁之间的最大流速，但在现场安装实施过程中，箱型假管很难固定安装，无法通过简单支吊结构来承受管箱重量。故可对上述方案予以进一步改进：将箱型假管改为梳形板(两处布置)，梳形板设置在原箱型假管的最下根管子处和中间处。梳形板的开口大小同省煤器管排间的节距，位置在左右方向上与管排间隙一一对应，见图8。

图7 阻流板布置位置示意图

图8 梳形板示意图

一级再热器、省煤器受热面U型弯头退台布置优化设计后，可以从根本上解决一级再热器、省煤器进出口穿墙管、受热面管排U型弯头难于检查、检修和更换问题，但受热面管排退台布置后，该区域会有明显的烟气走廊形成。结合CFD流场模拟实验数据，在理论烟气流速较高区域增设阻流板，将大大改善管束与水冷壁之间的流场分布，降低烟气的最大流速，从根本上减小磨损。而在阻流板斜上部烟气流速较高区域受热面直管段管排加装防磨护瓦，避免烟气对管束的直接冲刷，可以极大减小磨损，延长受热面的使用寿命。采用CFD技术对超超临界机组受热面进行优化有十分重要的推广价值。