某生物質(zhì)鍋爐換熱器流場(chǎng)分析

趙忠霞 張曉楠

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.哈爾濱電氣國(guó)際工程有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

浙江某電廠為了響應(yīng)國(guó)家環(huán)保及節(jié)能減排的相關(guān)政策，將煤粉鍋爐改燒樹枝葉、雜草或者是農(nóng)作物秸稈等生活中常見(jiàn)的生物質(zhì)燃料。然而，經(jīng)過(guò)技術(shù)及結(jié)構(gòu)改造后，該鍋爐飽受排煙溫度過(guò)高的困擾。因此，為了改善鍋爐尾部煙道的工作條件，對(duì)該鍋爐提出了4種改造方案：方案1，移除下級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用錯(cuò)列布置方式；方案2，移除上級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用錯(cuò)列布置方式；方案3，移除下級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式；方案4，移除上級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式。對(duì)4種方案進(jìn)行熱力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)方案2排煙溫度高達(dá)176.5 ℃，高于設(shè)計(jì)溫度170 ℃，浪費(fèi)較大，不符合設(shè)計(jì)要求；而方案4得到的熱空氣溫度為90 ℃，低于100 ℃，容易造成鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕問(wèn)題，也不符合要求。因此，放棄方案2和方案4。

本文利用CFD仿真軟件建立了錯(cuò)列及順列兩種換熱器的物理模型，主要模擬分析換熱器內(nèi)部煙氣側(cè)的速度場(chǎng)和飛灰顆粒對(duì)換熱器的磨損情況，因前期通過(guò)熱力計(jì)算已經(jīng)放棄方案2和方案4，故接下來(lái)將分別分析方案1和方案3速度場(chǎng)及管壁磨損情況，最終確定出最優(yōu)方案。

1 流體流動(dòng)的基本控制方程

1.1 質(zhì)量守恒方程

1.2 動(dòng)量守恒方程

假設(shè)流體的粘度系數(shù)是常數(shù)C，且為不可壓縮的流體（ρ=C），即S=S=S=0，v為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，單位是m/s；p為作用在流體微元體上的壓力，故動(dòng)量方程可簡(jiǎn)化為方程組，如式（2）所示：

1.3 湍流方程

本文使用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程描述湍流流動(dòng)，如式（3）所示：

式中：σ、σ分別為湍流脈動(dòng)動(dòng)能以及耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)；C、C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2 換熱器流場(chǎng)仿真分析

2.1 換熱器幾何建模及網(wǎng)格劃分

本文應(yīng)用模型創(chuàng)建軟件Gambit來(lái)創(chuàng)建錯(cuò)列及順列兩種布置形式的換熱器的幾何模型。錯(cuò)列及順列換熱器橫向分別有管束18排、24排，管束間橫向節(jié)距分別是80 mm、60 mm；縱向都有管束26列，縱向節(jié)距都是60 mm。錯(cuò)列及順列布置的換熱器煙氣均從頂部進(jìn)入，自上向下垂直沖刷換熱器管束，換熱完成后均從換熱器底部逸出。順列布置換熱器，管束具有對(duì)稱性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算順列換熱器的一半即可，因此幾何模型也只創(chuàng)建模型的1/2。順列布置換熱器與錯(cuò)列布置換熱器的幾何模型如圖1所示。

分別對(duì)兩種布置方式的換熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格，最終得到錯(cuò)列及順列換熱器網(wǎng)格數(shù)分別為3 232 388、2 080 650，最差的網(wǎng)格質(zhì)量分別是0.48、0.51，全部網(wǎng)格質(zhì)量完全能夠滿足小于0.97的要求，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

2.2 基本假設(shè)

在求解過(guò)程中，為便于模型的建立，需要進(jìn)行以下假設(shè)：（1）換熱器內(nèi)流體流動(dòng)均為定常流動(dòng)；（2）忽略重力對(duì)流場(chǎng)的作用；（3）煙氣在換熱器中的流動(dòng)屬于湍流范疇，所以該過(guò)程利用湍流模型進(jìn)行求解；（4）流體物理性質(zhì)的設(shè)定。

換熱器中的流體為燃料在爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣，進(jìn)入換熱器前煙氣溫度都為225.83 ℃。根據(jù)計(jì)算得到的煙溫，查表可確定煙氣的密度ρ=0.733 kg/m，粘度v=3.477×10m/s。

2.3 邊界條件的設(shè)定

在同樣的邊界條件下，設(shè)置兩種型式的換熱器煙氣入口作為速度入口，速度均為5.25 m/s；煙氣出口為自由出流；換熱器表面的邊界類型是固體壁面；順列換熱器還需設(shè)置對(duì)稱邊界類型。在計(jì)算過(guò)程中，使用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程模擬求解流體湍流過(guò)程，采用SIMPLE壓力速度耦合法。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2、圖3、圖4分別為錯(cuò)列、順列換熱器內(nèi)煙氣沖刷受熱面管束Z方向及X方向的速度云圖。煙氣流經(jīng)換熱器是沿著Y方向自上而下沖刷管束，但因?yàn)楣苁拇嬖?，煙氣通道變得狹窄。根據(jù)連續(xù)性方程q=vA，如圖2、圖3所示，因?yàn)閆方向上管束間的煙氣流通截面面積A變小，必定會(huì)導(dǎo)致煙速增大，在兩側(cè)換熱器壁面處流通截面積最小，所以這些位置的煙速最大。同樣的原因，如圖4所示，X方向上，截面兩側(cè)位置煙速較大；煙氣受到管束的阻擋，改變了原有的流動(dòng)方向，在管束的背風(fēng)側(cè)速度很小。對(duì)比圖4，錯(cuò)列布置的管束間速度變化梯度較大，而順列管束布置整齊，速度分布也相對(duì)規(guī)則，前后排管束間的煙速較小，同一橫排管束間煙速較大。

為了更加清楚地表現(xiàn)換熱器內(nèi)煙氣速度矢量的變化情況，對(duì)圖片進(jìn)行了放大處理。將錯(cuò)列管束及順列管束在Z方向截面的速度矢量圖進(jìn)行了放大處理，如圖5和圖6所示。當(dāng)煙氣沖刷錯(cuò)列管束時(shí)，在前進(jìn)的方向上不斷受到管束的干擾，流動(dòng)方向時(shí)刻變化；但順列管束由于前后排列規(guī)整，煙氣流動(dòng)主要受到第一排管束阻擋，隨即改變方向，分成若干股流后，沿管束兩側(cè)平緩流動(dòng)，速度方向變化較小。不論是錯(cuò)列還是順列管束的背風(fēng)側(cè)都會(huì)出現(xiàn)較小的回流區(qū)，這是因?yàn)槭艿缴弦慌殴苁淖钃酰瑹煔饬鲃?dòng)發(fā)生了變化。

由圖7～圖10可以看出，不管是錯(cuò)列換熱器還是順列換熱器，隨著飛灰顆粒粒徑的不斷增大，顆粒與管壁的碰撞概率勢(shì)必加大。粒徑小的顆粒其慣性自然小，但是比較容易受到氣流的影響，會(huì)隨著氣流繞過(guò)管束，只有很少一部分顆粒會(huì)與管壁發(fā)生直接碰撞。顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡與煙氣流動(dòng)狀態(tài)大致相同。顆粒隨著粒徑的增大，慣性自然也會(huì)增大，當(dāng)煙氣受到來(lái)自受熱管束的阻擋，流動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，顆粒不易與其流動(dòng)方向一同發(fā)生改變，而是會(huì)在慣性的作用下與管壁發(fā)生碰撞。

比對(duì)錯(cuò)列及順列換熱器內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可以發(fā)現(xiàn)：在粒徑較小的情況下，顆粒撞擊第一排管束的情況差異較小，區(qū)別較大的在于管束的第二排。如圖10所示，即使錯(cuò)列布置的換熱器內(nèi)顆粒粒徑較?。搭w粒直徑d=20 μm），顆粒撞擊第二排管束的概率依然很大。顆粒首先受到第一排管束的遮擋，部分與其發(fā)生直接撞擊，就算不與第一排管束發(fā)生碰撞的顆粒也幾乎全部會(huì)與第二排管束發(fā)生碰撞。當(dāng)顆粒粒徑增大時(shí)，情況就會(huì)更加明顯，如圖8所示。但對(duì)于順列換熱器來(lái)說(shuō)，如圖9所示，當(dāng)顆粒粒徑較小時(shí)，顆粒幾乎不會(huì)與第二排管束發(fā)生碰撞，只有當(dāng)顆粒粒徑較大時(shí)才有一些顆粒會(huì)撞擊到第二排管子，如圖7所示。從整體上看，對(duì)比圖7～圖10，在相同的顆粒粒徑下，錯(cuò)列換熱器中顆粒撞擊管束的概率明顯高于順列。當(dāng)顆粒直徑為50 μm時(shí)，在錯(cuò)列換熱器中，幾乎全部的顆粒都會(huì)與管壁相碰撞；而在順列換熱器中，部分顆粒會(huì)保持與煙氣一起在管束間從上至下較“順利”地流經(jīng)換熱器。

本文在模擬中加入離散相模型，主要分析顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和對(duì)壁面磨損情況，得出以下結(jié)論：攜帶顆粒的煙氣沖刷錯(cuò)列管束時(shí)會(huì)造成更嚴(yán)重的磨損，使受熱管束更容易損壞。因此，從飛灰顆粒磨損角度考慮，順列布置的方案3明顯優(yōu)于錯(cuò)列布置的方案1。

3 結(jié)論

本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，使用Fluent軟件分析錯(cuò)列與順列換熱器煙氣側(cè)的流場(chǎng)，并且加入離散相模型模擬煙氣中顆粒對(duì)于管束的撞擊磨損作用。采用20 μm、50 μm兩種粒徑，分析顆粒粒徑對(duì)磨損量的影響，從飛灰磨損的角度，對(duì)比方案1與方案3的優(yōu)劣，得出錯(cuò)列管束更容易受到磨損，安全性差一些。所以認(rèn)為方案3——移除下級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式較優(yōu)。