基于UDF的飞灰磨损定量计算方法的研究

摘要

燃煤电站锅炉烟气中富含飞灰颗粒，这些颗粒通过受热面与受热壁面发生碰撞导致磨损。由飞灰造成的受热面磨损问题由来已久，严重威胁着锅炉安全运行，是造成省煤器管爆裂的主要因素。和高温受热面相比，由于省煤器中流动的烟气温度较低，颗粒硬度大，磨损相对严重，同时和温度虽然更低但烟气在管内流动的空气预热器相比，颗粒在省煤器中是横向冲刷管束，对管壁磨损也更加严重。
　　 影响省煤器磨损的主要因素有颗粒撞击速度、粒子尺寸大小、粒子形状(多棱或圆形颗粒)、粒子的物理化学性质、粒子聚集度(飞灰浓度)、被撞击材料温度和材料性质以及省煤器结构等。
　　 本文采用商业计算流体软件Fluent中的离散相模型对飞灰颗粒撞击省煤器管壁的磨损问题进行了数值模拟。通过对顺列和错列管束模型的流场进行模拟，得出了流速在管间分布规律和粒子运行轨迹。利用得出的速度分布和粒子运行轨迹对磨损造成的影响进行了初步分析。之后利用得到的流速分布来初始化对称分离区流场。运用Fluent软件中的UDF和磨损方程进行省煤器管壁磨损的模拟计算，计算后求得飞灰颗粒造成的磨损量沿省煤器管壁的周向分布情况。
　　 通过计算得出的数据显示，在同一几何模型和运行条件下，磨损量在不同管排间的变化在顺列管束和错列管束中略有不同。顺列管管壁磨损量沿各排管呈先增大后减小趋势，在中间管排磨损量达到最大，磨损量数量级一般为10-10mm/s；错列管管壁磨损量沿各管排也呈类似的变化趋势，但其磨损量级要比顺列管大两个数量级，即磨损量数量级为10-8mm/s。这是由于错列管中流体是在管问交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比顺列时在管间走廊通道的流动扰动强烈，相应粒子撞击也更加剧烈。因此，错列管束磨损比顺列管束严重得多。对单一管而言，顺列和错列管束磨损量沿管壁周向的分布按先增大后减小规律变化，在某一角度达到最大，即最大磨损位置，顺列管最大磨损位置发生在从迎风面开始的50～60°处，错列管发生在从迎风面开始的5～10°附近。
　　 其它影响条件都相同的情况下，仅改变粒子尺寸(直径)时，顺列和错列管束磨损量也分呈不同的变化规律。顺列管磨损量随颗粒粒径的增大不断减小；错列管磨损量则随颗粒粒径的增大出现了先增大后减小的变化规律，在粒径为70μm左右时达到最大值。
　　 本文真实模拟了省煤器管束流场并计算了管壁磨损量，得出的磨损结果基本符合物理事实。根据模拟结果提出了一些防磨措施，对工程应用有一定的参考价值。