CN112214918A - 一种减少省煤器进口板面磨损的改进方法 - Google Patents

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张�浩
李巩
叶兴联
安希忠
付海涛
杨晓红
邹清川
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Abstract

本发明涉及一种减少省煤器进口板面磨损的烟道改进方法，该方法以烟道中省煤器的上下游区域作为计算对象，借助Fluent软件进行两相流数值模拟，其计算结果经后处理可使研究对象的侵蚀情况定量化、可视化，还可以为下一步烟道优化提供参考。对烟道的优化工作需开展相关性分析，基于流场和颗粒分布等关键信息确定影响最终磨损量的核心因素，并结合经济成本对解决方案进行优化。优先考虑无需添加导流板的解决方案，即方案A，通过在工艺合理操作区间对工艺参数进行优化实现；若初步判定该操作无法达到预期效果，则在流场中设置导流板，即方案B，基于流场和颗粒分布等关键信息对各部分导流板对最终磨损的影响率进行分级，优先对影响率较高的导流板进行优化（结构尺寸、安装位置和安装角度等）。将优化后的烟道方案进行数值模拟，经过多次烟道优化‑分析‑再优化‑再分析的过程，最终得到具有优良耐磨特性的烟道改进方案。

Description

一种减少省煤器进口板面磨损的改进方法
技术领域
本发明涉及一种减少省煤器进口板面磨损的改进方法，属于设备技术领域。
背景技术
火力发电依旧是中国的主要发电形式，锅炉内燃料燃烧产生的大量烟气需经过脱硝、脱硫和除尘操作才可排入大气。采用数值模拟方法研究烟道中烟气的流动过程是技术人员较常采用的手段。同时，未除尘烟气携带大量固体颗粒，烟道上的设备不可避免地存在磨损问题。但是几乎所有对实际烟道的模拟，仅仅考虑了气相的流动，优化也只是围绕流场是否均匀化进行。相反，对设备磨损的改善结果，只能在烟道投入实际应用一段时间后，才可得到设备侵蚀情况是否有所改善。按照通常的优化方法，对侵蚀情况的改善程度是模糊的，对是否还能通过调整工艺参数、优化导流板以达到更好防磨效果则需要极大的时间、资金投入。因此，仅仅围绕流场均匀化的优化，不足以研究并改善设备的磨损问题。
发明内容
（一）要解决的技术问题
烟道流场是否已优化的指标，仅停留于对气相流场的是否均匀化，而并未把颗粒对设备的磨损纳入评价的一项。尽管大多情况下，气相流场优化均匀后，对磨损情况有改善，但是并不能直接回答磨损情况改善的程度大小，也不能迅速回答针对磨损情况是否还有优化空间的问题。
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种减少省煤器进口板面磨损的烟道改进方法，该方法对烟道中固体颗粒对设备的侵蚀情况进行模拟，并通过调整工艺参数、优化导流板的烟道方案进行数值模拟，经过多次烟道优化-分析-再优化-再分析的过程，最终得到具有优良耐磨特性的烟道改进方案。
（二）技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明涉及一种减少省煤器进口板面磨损的烟道改进方法，该方法以烟道中省煤器的上下游区域作为计算对象，借助Fluent软件进行两相流数值模拟，其计算结果不仅可以经过后处理使研究对象的侵蚀情况定量化、可视化，还可以为下一步烟道优化提供参考。对烟道的优化工作需开展相关性分析，基于流场和颗粒分布等关键信息确定影响最终磨损量的核心因素，并结合经济成本对解决方案进行优化。优先考虑无需添加导流板的解决方案，即方案A，通过在工艺合理操作区间对工艺参数进行优化实现；若初步判定该操作无法达到预期效果，则在流场中设置导流板，即方案B，基于流场和颗粒分布等关键信息对各部分导流板对最终磨损的影响率进行分级，优先对影响率较高的导流板进行优化（结构尺寸、安装位置和安装角度等）。将优化后的烟道方案进行数值模拟，经过多次烟道优化-分析-再优化-再分析的过程，最终得到具有优良耐磨特性的烟道改进方案。
对烟道方案进行数值模拟并得到两相流数值模拟解后，根据流场信息、烟道上游段各区域的颗粒浓度的分布情况（颗粒偏析情况）、颗粒对墙壁的冲击信息（冲击角度、不同粒径颗粒冲击的位置等）和墙壁的侵蚀程度以及分布，可以为下一步的烟道优化提供信息。
其中相关性分析需根据数值模拟中侵蚀率的描述：侵蚀率
Figure DEST_PATH_IMAGE001
,其中mp是颗粒的质量流率，A是关于设备壁面硬度的常数、F S 是描述颗粒形状的常数（球形砂F S =0.2;半球形砂F S =0.53;尖砂F S =1）、V P 是颗粒速度、f(θ)是关于颗粒冲击角度的函数。不改变烟道的前提下，通过调整颗粒数、颗粒的质量流率、砂型、粒径和速度，可以改变设备的侵蚀情况。
优化方案A无需改变烟道/无需添加导流板，通过在工艺合理操作区间对工艺参数进行优化实现，其中工艺参数包括气流进口速度和固体颗粒的粒径、质量分数、球形度等。
优化方案B，基于流场和颗粒分布等关键信息对各部分导流板对最终磨损的影响率进行分级，优先对影响率较高的导流板进行优化（结构尺寸、安装位置和安装角度等）。
根据不同烟道部位的特点，导流板具有两种类型，第一类导流板和第二类导流板。
第一类导流板的布置参数。安装位置于烟道上游段出口段的平直部分/烟道上游段出口段弯曲段尾部之后,使导流板直板垂直于省煤器进口板面。省煤器进口板面距烟道上游段出口段弯曲段尾部的高度，为省煤器的标高H。导流板为直板，当200mm≤H≤1000mm时，导流板长度L为100～400mm，导流板间距X为70～300mm。
第二类导流板的布置参数。安装位置于与之匹配的烟道弯曲段。导流板由弧形部分和延伸部分构成。弧形部分：弯曲段入口长度为D1,弯曲段出口长度为D2;X1、X2、X3为入口、出口划分的比例系数，X1+X2+X3=1,0.2≤X1，X2，X3≤0.5；R为烟道弯曲段内侧半径；导流板①半径：r1=R+X1(D1+D2)(1±k1)/2，k1＜5%；导流板②半径：r2=R+(X1+X2)(D1+D2)(1±k2)/2，k2＜5%；弧夹角与D1、D2的划分选取有关，基本等于烟道弯曲段内侧弧的夹角。延伸部分：直板与弧形部分相连，直板方向与弧形部分尾部的切向方向一致、或与下一段烟道平行；延伸部分长度，0≤L1、L2＜300mm。
（三）有益效果
本发明的有益效果是：
数值模拟减少成本投入，缩短研究周期。使侵蚀情况定量化、可视化，并有针对性地对设备的磨损问题提出优化改进。延长设备寿命，保证整个工艺流程的平稳高效运行。
附图说明
图1为本发明的一种减少省煤器进口板面磨损的烟道改进方法流程图；
图2为本发明的一种优选实施例的减少省煤器进口板面磨损的烟道改进图；
图3为未布置导流板时实际烟道的三维物理模型网格图；
图4为第一类导流板布置的示意图；
图5为第一种烟道弯曲段的第二类导流板布置的示意图；
图6为第二种烟道弯曲段的第二类导流板布置的示意图；
图7为第三种烟道弯曲段的第二类导流板布置的示意图；
图8为未布置/第一次布置/第二次布置/第三次布置导流板时烟道流场速度云图；
图9为未布置/第一次布置/第二次布置/第三次布置导流板时烟道不同颗粒粒径的颗粒迹线；
图10为未布置/第一次布置/第二次布置/第三次布置导流板时省煤器进口板面的侵蚀云图。
图11为省煤器进口板面的样本划分示意图
图12为未布置/第一次布置/第二次布置/第三次布置导流板时省煤器进口板面的侵蚀率分布曲线
【附图标记说明】
1：烟道入口；2：省煤器进口板面；2.1：换热管组通道；3：换热管组；4：省煤器出口板面；5：烟道出口；a-h：烟道上游段；a-b：烟道入口段；b-c、d-e、f-g：烟道弯曲段；c-d、e-f：烟道平直段；g-h：烟道上游段出口段；h-i：省煤器；i-j：烟道下游段；Ⅰ：第一类导流板；Ⅱ：第二类导流板。
H：省煤器的标高；L：第一类导流板长度；X：第一类导流板间距。
D1：弯曲段入口长度；D2：弯曲段出口长度；X1、X2、X3：入口、出口划分的比例系数；R：烟道弯曲段内侧半径；①：内侧导流板；②：外侧导流板；r1：内侧导流板半径；r2：外侧导流板半径；k1、k2：范围系数；L1：内侧延伸部分导流板长度；L2：外侧延伸部分导流板长度。
具体实施方式
采用数值模拟方法得出实际烟道中固体颗粒对设备的侵蚀情况，并通过调整工艺参数、优化导流板的烟道方案进行烟道优化-分析-再优化-再分析的过程，得到符合实际工程要求的最终优化烟道改进方案。从而缩短对磨损问题的研究周期和投入成本。
以下将参照附图，对本发明的实施案例进行详细的描述。本实施案例在以本技术方法为前提下进行实施，应当理解实施案例是为了说明本发明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施案例。
实施例1
本发明提供一种减少省煤器进口板面磨损的烟道改进方法，所述的方法步骤为：
1.根据如图2所示的一种烟道和省煤器的结构尺寸，采用ICEM软件建立（包含烟道入口1、烟道上游段a-h（包含烟道入口段a-b、三个弯曲段b-c、d-e、f-g，两个平直段c-d、e-f，烟道上游段出口段g-h）、省煤器h-i（包含省煤器进口板面2、省煤器出口板面4、换热管组通道2.1）、烟道下游段i-j和烟道出口5）具有研究对象特征的三维物理模型网格。未布置导流板时的网格如图3所示。需注意：在对结果影响较小的情况下，实际烟道的建模只须采用烟道切片以代表性的研究，以保证计算速度且避免计算资源浪费。整个计算域网格完全采用结构六面体网格，并对网格进行无关性检验。
2.采用Fluent软件，设置初值条件（气相属性、固体颗粒相属性、省煤器壁面属性）。仿真所用到的关键参数见下表。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
并按照下表，对物理模型中不同部位进行边界条件设置。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
随后，数值计算未布置导流板时两相流的解和固体颗粒对墙壁的磨损解。其中涉及到的侵蚀率（Erosion rate），是衡量侵蚀程度的物理量，意义是在单位时间内固体颗粒磨损单位面积研究对象的质量。省煤器进口板面作为研究对象，将其平均分为34个样本，如图11所示，以定量的得出每个样本的平均侵蚀率。
3.未布置导流板时烟道的两相流数值模拟解得到后，通过图8的未布置速度云图，可以看出流场分布极不均匀、在烟道弯曲段存在大量的“低速区”。通过图9的未布置的不同粒径颗粒迹线图，可以看出不同粒径的颗粒在整个烟道中分布存在明显的偏析；具体看烟道上游段出口段的颗粒迹线，可明显看出较大粒径颗粒较集中地对省煤器进口板面的中部进行冲击，结合图10的未布置进口板面侵蚀云图和图12的未布置进口板面样本的侵蚀曲线，可直接看出中部磨损情况严重；并且，通过迹线还可以看出，烟道上游段出口段的绝大多数颗粒以45°左右的冲击角对进口板面进行冲击，由相关文献可知，颗粒对设备造成较大磨损的冲击角度大约在30°左右，而冲击角度较大时，颗粒造成的磨损则较小。
基于上述分析，优先考虑方案A，按照流场和颗粒分布等关键信息，确定最终磨损量的核心因素（气流进口速度和颗粒的粒径、浓度、球形度），并结合经济成本对解决方案进行优化，通过在工艺合理操作区间对核心因素的工艺参数进行优化实现。若经数值模拟结果初步判定该操作可达到预期且可接受应用所需的经济成本，则初步确定为较优的烟道改进方案。若经初步判定该操作无法达到预期效果，则进行方案B，在流场中设置导流板。基于流场和颗粒分布等关键信息对各部分导流板对最终磨损的影响率进行分级，优先对影响率较高的导流板进行优化（结构尺寸、安装位置和安装角度等）。因此，需从优化多相流动结构和热质传递特性的综合角度，实现深层次和实质性的结构优化。布置合理的导流板调整颗粒浓度的分布和颗粒冲击速度，使烟道内不同粒径颗粒的偏析情况减轻、颗粒冲击进口板面的角度尽可能大。
4.第一次布置导流板，优先在烟道上游段出口段弯曲段尾部设置第一类导流板，并在步骤1的基础上构建第一次布置导流板的三维物理网格。下表为第一次布置的第一类导流板所需参数。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
随后，数值计算第一次布置导流板时两相流的解和固体颗粒对墙壁的磨损解。
5.第一次布置导流板是烟道的两相流数值模拟解得到后，通过图8的第一次布置速度云图，可以看出流场分布较未布置时设置第一类导流板的部位流场变化较大，其余部分流场有向均匀变化的趋势（“低速区”略变小、“高速区”变小），但并不十分明显。通过图9的第一次布置的不同粒径颗粒迹线图，在设置第一类导流板的部位变化明显，不仅使颗粒流直接冲击的部位发生偏移，而且使部分颗粒的冲击角度变大；从整个烟道来看，颗粒的偏析现象并未减弱，“颗粒回旋区”较未布置时也变化很小。结合图10的第一次布置时的进口板面侵蚀云图和图12的第一次布置时进口板面样本的侵蚀曲线，可直接看出第一次布置导流板，磨损情况整体有一定程度的下降、磨损最严重的部位也发生了转移，但侵蚀率的峰值仅下降10.1%。经过分析可以认为，第一类导流板的布置，对磨损峰值的转移和整体的小幅下降起主要作用；但为了使峰值继续降低，还需考虑如何使不同粒径的颗粒流较均匀地冲击所研究的设备表面。而这仅仅靠调整第一类导流板是做不到的，这就需要在第一次布置导流板的基础上，对烟道上游段弯曲段设置第二类导流板。
6.第二次布置导流板，需在重复步骤4的基础上，在烟道上游段针对不同烟道弯曲段特点布置第二类导流板。下表为第二次布置的第二类导流板所需参数。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
随后，数值计算第二次布置导流板时两相流的解和固体颗粒对墙壁的磨损解。
7.第二次布置导流板时烟道的两相流数值模拟解得到后，通过图8的第二次布置速度云图，可以看出较未布置、第一次布置时有明显的改善、烟道弯曲段的“低速区”也明显减少。通过图9的第二次布置的不同粒径颗粒迹线图，可以看出不同粒径的颗粒在整个烟道的流动整体更加顺畅，尤其是在弯曲段由于第二类导流板的加入，使“颗粒回旋区”基本消失，颗粒偏析现象有一定程度上的减弱，烟道上游段出口段未布置时的一股大颗粒流变为两股大颗粒流。关于颗粒对进口板面的冲击角度，通过观察可看出与第一次布置时相仿。结合图10的第二次布置进口板面侵蚀云图和图12的第二次布置进口板面样本的侵蚀曲线，可看出第二次布置时的侵蚀分布情况与第一次布置时相仿，但整体侵蚀率较第一次布置又有所下降，其中侵蚀率的峰值较未布置时下降了19.3%。经过分析可以认为，第二类导流板的设置很大程度上起到了使颗粒流均匀的作用；但为了使峰值继续降低，就需要使烟道内颗粒的偏析现象减弱甚至消失，使颗粒流更均匀地冲击所研究的设备表面。这就需要在第二次布置导流板的基础上针对第二类导流板进行调整。
8. 第三次布置导流板，需在第二次布置的基础上优化第二类导流板，重复步骤6。下表为第三次布置的第二类导流板所需参数。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
随后，数值计算第三次布置导流板时两相流的解和固体颗粒对墙壁的磨损解。
7.第三次布置导流板时烟道的两相流数值模拟解得到后，通过图8的最终优化布置速度云图，可以看出流场分布在保留第二次布置时特点同时，针对第二类导流板附近的流场有所改善，即流体运动更加贴近导流板的导向。通过图9的第三系优化布置的不同粒径颗粒迹线图，可以看出在保留第二次布置的特点同时，尤其是在烟道上游段出口段的不同粒径颗粒的分布均匀程度有明显提升，整体的颗粒偏析现象显著减少。关于颗粒对进口板面的冲击角度，依旧保持与第二次布置的优化特点。结合图10的第三次布置进口板面侵蚀云图和图12的第三次布置进口板面样本的侵蚀曲线，可看出第三次布置导流板，磨损情况整体与第二次布置时的特点相仿，但是值得注意的是，侵蚀率的峰值较未布置时下降了35.3%。经过分析可以认为，合理调整第二类导流板，使颗粒分布均匀化并减弱颗粒偏析现象，对侵蚀最大值的降低至关重要。
8.若第三次布置的烟道改进方案符合实际工程要求，则第三次布置为最终优化的烟道改进方案。若仍未符合要求，可在第三次布置的基础上，继续进行烟道优化-分析-再优化-再分析这一不断趋近最优化烟道改进的过程，直至得到符合实际工程要求的具有优良耐磨特性的烟道改进方案。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.本发明涉及一种减少省煤器进口板面磨损的烟道改进方法，该方法以烟道中省煤器的上下游区域作为计算对象，借助Fluent软件进行两相流数值模拟，其计算结果不仅可以经过后处理使研究对象的侵蚀情况定量化、可视化，还可以为下一步烟道优化提供参考；对烟道的优化工作需开展相关性分析，基于流场和颗粒分布等关键信息确定影响最终磨损量的核心因素，并结合经济成本对解决方案进行优化；优先考虑无需添加导流板的解决方案，即方案A，通过在工艺合理操作区间对工艺参数进行优化实现；若初步判定该操作无法达到预期效果，则在流场中设置导流板，即方案B，基于流场和颗粒分布等关键信息对不同情况下导流板对最终磨损的影响率进行分级，优先对影响率较高的导流板进行优化（结构尺寸、安装位置和安装角度等）；将优化后的烟道方案进行数值模拟，经过多次烟道优化-分析-再优化-再分析的过程，最终得到具有优良耐磨特性的烟道改进方案。
2.如权利要求1所述的烟道改进方法，其特征在于对烟道方案进行数值模拟并得到两相流数值模拟解后，根据流场信息、烟道上游段各区域的颗粒浓度的分布情况（颗粒偏析情况）、颗粒对墙壁的冲击信息（冲击角度、不同粒径颗粒冲击的位置等）和墙壁的侵蚀程度以及分布，可以为下一步的烟道优化提供信息。
3.如权利要求1所述的烟道改进方案，其特征在于相关性分析需根据数值模拟中侵蚀率的描述：侵蚀率
Figure 473286DEST_PATH_IMAGE001
,其中mp是颗粒的质量流率，A是关于设备壁面硬度的常数、F S 是描述颗粒形状的常数（球形砂F S =0.2;半球形砂F S =0.53;尖砂F S =1）、V P 是颗粒速度、f(θ)是关于颗粒冲击角度的函数；不改变烟道的前提下，通过调整颗粒数、颗粒的质量流率、砂型、粒径和速度，可以改变设备的侵蚀情况。
4.如权利要求1所述的烟道改进方法，其特征在于方案A无需改变烟道/无需添加导流板，通过在工艺合理操作区间对工艺参数进行优化实现，其中工艺参数包括气流进口速度和固体颗粒的粒径、质量分数、球形度等。
5.如权利要求1所述的烟道改进方法，其特征在于方案B，基于流场和颗粒分布等关键信息对各部分导流板对最终磨损的影响率进行分级，优先对影响率较高的导流板进行优化（结构尺寸、安装位置和安装角度等）。
6.如权利要求5所述的烟道改进方法，其特征在于根据不同烟道部位的特点，导流板具有两种类型，第一类导流板和第二类导流板。
7.如权利要求6所述的烟道改进方法，其特征在于，第一类导流板的布置参数；安装位置于烟道上游段出口段的平直部分/烟道上游段出口段弯曲段尾部之后,使导流板直板垂直于省煤器进口板面；省煤器进口板面距烟道上游段出口段弯曲段尾部的高度，为省煤器的标高H；导流板为直板，当200mm≤H≤1000mm时，导流板长度L为100～400mm，导流板间距X为70～300mm。
8.如权利要求6所述的烟道改进方法，其特征在于，第二类导流板的布置参数；安装位置于与之匹配的烟道弯曲段；导流板由弧形部分和延伸部分构成；弧形部分：弯曲段入口长度为D1,弯曲段出口长度为D2;X1、X2、X3为入口、出口划分的比例系数，X1+X2+X3=1,0.2≤X1，X2，X3≤0.5；R为烟道弯曲段内侧半径；导流板①半径：r1=R+X1(D1+D2)(1±k1)/2，k1＜5%；导流板②半径：r2=R+(X1+X2)(D1+D2)(1±k2)/2，k2＜5%；弧夹角与D1、D2的划分选取有关，基本等于烟道弯曲段内侧弧的夹角；延伸部分：直板与弧形部分相连，直板方向与弧形部分尾部的切向方向一致、或与下一段烟道平行；延伸部分长度，0≤L1、L2＜300mm。
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