鍋爐汽包蒸汽品質(zhì)波動(dòng)問(wèn)題模擬分析及改造

王天龍， 廖天陽(yáng)， 李瑞宇， 朱建鋒， 馬金星， 蔡創(chuàng)明， 宋長(zhǎng)志， 蔡瓊珂

(1. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 廣東佛山 528251; 2. 寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司,廣東韶關(guān) 512123; 3. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院 順德檢測(cè)院, 廣東順德 528300)

鍋爐汽包主要接收來(lái)自省煤器的熱水，并向過(guò)熱器輸送飽和蒸汽，同時(shí)又與下降管、水冷壁上升管連接，共同組成水循環(huán)回路[1-3]，其內(nèi)部主要工作流程為：從水冷壁來(lái)的汽水混合物由汽水引出管接入汽包聯(lián)通箱進(jìn)入汽包內(nèi)，經(jīng)汽水分離后向過(guò)熱器輸送飽和蒸汽。鍋爐運(yùn)行中水位控制過(guò)高、負(fù)荷急劇變化、燃燒不均造成的熱力偏差等都有可能增加蒸汽帶水，影響蒸汽品質(zhì)。鍋筒內(nèi)部裝置有缺陷也會(huì)造成蒸汽帶水，影響蒸汽品質(zhì)[4]。高溫高壓鍋爐的汽包內(nèi)部裝置是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，它不參與鍋爐酸洗與堿煮。鍋爐在清洗之前必須先將鍋內(nèi)裝置拆除，清洗完畢后再重新安裝。筆者建立了正常汽包和異常汽包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型，通過(guò)應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)比分析汽包工作時(shí)內(nèi)部流動(dòng)特性，提出了蒸汽品質(zhì)波動(dòng)的汽包結(jié)構(gòu)改造方案，模擬分析改造后汽包工作時(shí)的內(nèi)部流動(dòng)特性。

1 機(jī)組概況

該30 MW鍋爐的汽包內(nèi)部裝置包括汽水分離裝置、蒸汽清洗裝置、給水分配裝置、加藥裝置、排污裝置等。

鍋爐汽包半剖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

電廠機(jī)組的循環(huán)流化床燃煤鍋爐自投產(chǎn)以來(lái)，蒸汽品質(zhì)一直存在波動(dòng)，表現(xiàn)為飽和蒸汽鈉離子含量嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)值，鍋爐全燃煤氣改造(鍋爐汽包未進(jìn)行改造)后，蒸汽品質(zhì)異常仍未消除。對(duì)正常汽包和異常汽包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)進(jìn)行對(duì)比排查后發(fā)現(xiàn)：該汽包中有1處汽水引出管異常，其未連接聯(lián)通箱直接引入汽包內(nèi)上部空間，正常汽包的該汽水引出管與汽包內(nèi)清洗孔板(溢水槽)未接觸(見(jiàn)圖2(a)和圖2(c))；異常汽包的清洗孔板安裝高度偏高，汽水引出管與清洗孔板(溢水槽)出現(xiàn)接觸(見(jiàn)圖2(b)和圖2(d))。

2 控制方程

所用計(jì)算方法主要遵循動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及能量守恒方程[5-6]。

動(dòng)量守恒方程為：

(1)

式中：ρ為密度；μ為流體動(dòng)力黏度；x、y、z分別為3個(gè)方向的坐標(biāo)；u、v、w分別為速度uc在x、y、z方向上的速度；p為微元體上壓力；Su、Sv、Sw為廣義源項(xiàng)；t為時(shí)間；λ為第二黏度系數(shù)，取-2/3；Fx、Fy、Fz分別為流體在3個(gè)方向的力；sx、sy、sz為其他項(xiàng)源。

質(zhì)量守恒方程為：

(2)

能量守恒方程為：

(3)

式中：k為傳熱系數(shù)；T為溫度；cp為比定壓熱容；ST為黏性耗散項(xiàng)。

3 汽包流動(dòng)分析

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

由于正常汽包與異常汽包的主要差異為直接通入汽包內(nèi)部的汽水引出管與清洗孔板相對(duì)位置不同，故建立該局部區(qū)域的三維幾何模型(見(jiàn)圖3)。

根據(jù)圖3的局部模型，反向建模生成汽包局部流體域模型，該流體域模型包括直通汽包的汽水引出管、兩級(jí)清洗孔板、聯(lián)通箱、分離器及蒸汽引入管。

對(duì)兩種汽包局部流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見(jiàn)圖4)，正常汽包和異常汽包模型的網(wǎng)格數(shù)分別為2 310 008及2 413 144，選取模型的蒸汽引入管流體速度作為評(píng)判依據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間，驗(yàn)證了所選取網(wǎng)格滿(mǎn)足要求[7]。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)汽包工作時(shí)汽水引出管的壓力及溫度，采用ANSYS軟件模擬計(jì)算正常汽包及異常汽包內(nèi)局部介質(zhì)流動(dòng)特性，汽水引出管剖面上流體的速度分布云圖見(jiàn)圖5。

由圖5可知：流體流經(jīng)直通汽包內(nèi)部的汽水引出管時(shí)，流體呈射流狀態(tài)流向汽包內(nèi)部，由于汽包內(nèi)第一級(jí)清洗孔板的阻擋作用，流體碰撞第一級(jí)清洗孔板后與其他流經(jīng)旋轉(zhuǎn)式汽水分離器的介質(zhì)匯合后向汽包上部流動(dòng)。由于兩種汽包內(nèi)部清洗孔板與引出管相對(duì)位置的差異，正常汽包的流體進(jìn)入汽包后與第一級(jí)清洗孔板接觸前其中心流體的最大速度為47.22 m/s，異常汽包該數(shù)值為63.42 m/s，增加34.3%。正常汽包內(nèi)的流體與第一級(jí)清洗孔板發(fā)生碰撞后，貼近孔板上方流動(dòng)至孔板中心后向汽包上方流動(dòng)，流體速度分布平緩；異常汽包內(nèi)，流體流入汽包內(nèi)后，射流中心與孔板拐角碰撞，未經(jīng)分離的汽水混合物流體經(jīng)孔板反射后直沖向汽包蒸汽出口，該過(guò)程容易帶走大量汽水混合物造成出口的蒸汽夾雜水；流體流經(jīng)第二級(jí)清洗孔板后，經(jīng)汽包上方的蒸汽引入管流出汽包，正常汽包內(nèi)流體的最大速度為176.53 m/s，異常汽包該數(shù)值為186.16 m/s，增加5.5%，出口流體速度增大亦容易使蒸汽攜帶水。

4 汽包改造

對(duì)異常汽包進(jìn)行改造，改造方案為：改變直通汽包內(nèi)部的汽水引出管的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，增加引流管使流經(jīng)該引出管的流體進(jìn)入聯(lián)通箱后流經(jīng)汽水分離器后再流出(見(jiàn)圖6)。

該改造方案可避免原來(lái)未經(jīng)汽水分離器分離而直接進(jìn)入汽包的流體進(jìn)入聯(lián)通箱進(jìn)行分離，增加了分離次數(shù)。

按改造方案建立改進(jìn)后的汽包幾何模型，抽取汽包局部流道模型，對(duì)該流道模型進(jìn)行模擬分析，改造后汽包內(nèi)部局部流體速度分布云圖見(jiàn)圖7。

由圖7可知：直接通入汽包的汽水混合物引出管加裝引流管后，流體在汽包內(nèi)的最大速度為173.10 m/s，比改造前減小7.02%，可使流體先進(jìn)入聯(lián)通箱后經(jīng)汽水分離器分離，避免直接進(jìn)入汽包內(nèi)腔，增加了汽水混合物分離次數(shù)，避免汽水混合物分離不充分直接流出汽包，出口蒸汽品質(zhì)得到改善。改造后汽包實(shí)體圖見(jiàn)圖8。

改造完成后機(jī)組重新開(kāi)機(jī)，汽包運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)后得到汽包改造前后蒸汽鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表1，改造前后的取樣次數(shù)分別為13和26，標(biāo)準(zhǔn)要求平均鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5 μg/kg)。結(jié)果表明：改造后汽包出口蒸汽品質(zhì)波動(dòng)問(wèn)題被解決，蒸汽品質(zhì)可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

表1 改造前后鈉離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

筆者基于模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，使得汽包出口蒸汽品質(zhì)波動(dòng)問(wèn)題得到解決，并得到如下結(jié)論：

(1) 汽包內(nèi)部構(gòu)件在制造安裝過(guò)程造成的細(xì)微誤差可能導(dǎo)致汽包不能正常工作，影響整個(gè)機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

(2) 運(yùn)用理論分析計(jì)算的方法找出實(shí)用的改造優(yōu)化方案，可降低純實(shí)物試驗(yàn)造成的不必要的人工及物料的浪費(fèi)。

(3) 該技術(shù)可視化程度高，可對(duì)實(shí)際測(cè)試難度較大的數(shù)據(jù)更直觀地進(jìn)行模擬，并對(duì)易測(cè)得數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，且該技術(shù)投資回收期不足半年，值得推廣。