PDF《电站锅炉受热面灰污剥离模型》

第30 卷第11 期中国电机工程学报Vol.

30 No.11 Apr.15,

2010 2010 年4月15 日Proceedings of the CSEE ?2010 Chin.Soc.for Elec.Eng.

33 文章编号:0258-8013 (2010) 11-0033-05 中图分类号:TM

621 文献标志码:A 学科分类号:470・20 电站锅炉受热面灰污剥离模型 潘亚娣,司风琪,徐治皋 (东南大学能源与环境学院,江苏省 南京市 210096) Removal Model of Fouling on Coal-fired Utility Boilers'

Heating Surface PAN Ya-di, SI Feng-qi, XU Zhi-gao (School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: Based on transmission characteristics of inter-particle force in granular medium and the force conditions of deposition particle, the removal mechanism of pre-deposited particles on boiler'

s tube surface was studied. On the basis of the inertial collision transport mechanism in boiler flue, a new particle-granules inertial collision removal model was proposed with the definition of a critical removal velocity. Such that, a new comprehensive fouling growth model for boiler'

s heating surface was obtained by integrating with a deposition model. A case study of the impact for copper particle with pre-deposited medium was also given, whose results were basically consistent with experiment data. A computation fluid dynamics simulation of fouling deposition on economizer'

s tube surface was implemented to demonstrate the validity of proposed comprehensive model. In this simulation, the distribution state and growth characteristics of fouling deposition were accurately reconstructed and the great influence of particle velocity on fouling growth cycle was also revealed. KEY WORDS: coal-fired utility boiler;

removal;

fouling monitoring;

critical velocity;

granular material 摘要: 基于散体内力的传递特性和沉积颗粒的受力分析, 研 究了沉积颗粒的剥离机制. 根据烟道内飞灰颗粒的惯性输运 沉积特性,建立了颗粒与沉积散体间的惯性碰撞剥离模型, 并提出了沉积颗粒的临界剥离速度准则.结合灰污沉积模 型, 获得了受热面灰污增长综合模型. 以铜粒子惯性碰撞沉 积为对象进行算例分析,模型预测结果与实验数据基本相 符. 采用该模型完成了某电厂省煤器换热管积灰的计算流体 动力学(computation fluid dynamics,CFD)模拟仿真,仿真结 果验证了此灰污增长综合模型的有效性. 该模型能准确反应 实际受热面灰污的分布和增长特征, 同时揭示了颗粒速度对 灰污增长周期有较大的影响. 关键词:燃煤锅炉;

剥离;

灰污监测;

临界速度;

散体

0 引言 燃煤电站锅炉受热面积灰结渣将引起传热效 率下降、烟气流堵塞、管壁腐蚀等,对锅炉的安全 经济运行具有重要影响[1] .锅炉受热面积灰受管子 壁温、烟气流速等多种因素的影响:文献[2]通过实 验研究了受热面无积灰的临界烟气流速,其值随颗 粒形状、粒径等因素的变化而变化;

Rodriguez 等[3] 研究了无积灰管子壁温与烟气流速之间的关系.由 于锅炉受热面总是或多或少地存在积灰现象,因此 基于无积灰管壁的研究成果不能直接应用到锅炉 实际运行中,本文从积灰机制的角度研究灰污的形 成和去除规律,对锅炉的经济运行和吹灰优化操作 具有重要理论指导意义. 基于 Kern-Seaton 理论,灰污剥离是受热面积 灰过程中的一个重要环节,相关机制的研究也一直 是受热面积灰方面的热点问题,研究表明灰污的剥 离率取决于流体的速度[3-4] ;

Polley[5] 和Rodriguez 等[3] 认为灰污的剥离率正比于雷诺数的 0.8 次方;

Bouris 等[6-7] 指出了灰污的剥离与流体的剪切流相 关.电站锅炉烟道内飞灰颗粒输运沉积的主要机制 是惯性力的作用[8] ,对于锅炉受热面积灰剥离机制 的研究也要建立在灰污惯性碰撞沉积的基础上. 根据沉积颗粒的起动原理,颗粒的起动形式分 为接触力起动和非接触力起动.接触力起动又分为 冲击起动、振动起动和斜面飞升;

非接触力起动分 为风压起动、升力起动、压差起动、涡旋起动和猝 发起动等.电站锅炉烟道内,沉积颗粒所受的气动 力较小,颗粒的起动以冲击起动为主,灰污剥离的 动力主要为流道内悬浮颗粒的惯性碰撞.本文根据 颗粒与沉积体之间的碰撞特征和沉积体内颗粒间 力的传播方式,提出了颗粒与沉积体之间的惯性碰 撞剥离模型,结合颗粒的沉积模型,获得了对流受 热面因飞灰颗粒的惯性碰撞而形成的灰污增长综

34 中国电机工程学报第30 卷 合模型.完成了与实验结果的比较和本模型的计算 流体动力学(CFD)仿真.

1 剥离模型 1.1 颗粒与沉积散体的碰撞接触力学性能 根据空气动力学原理,关于平面上单个滞留颗 粒的起动分离机制的研究比较早,已有成熟的模型 提出,并广泛运用于气力或水力输运、风沙岩土学 等领域,但此模型不适合锅炉积灰的剥离特征. Ramadan 等[9] 指出当气流中存在悬浮颗粒时,除了 气动力之外,悬浮颗粒与沉积颗粒的碰撞对颗粒的 初始运动影响很大,尤其是在悬浮颗粒的尺寸与沉 积颗粒尺寸相当的情况下. 当颗粒因惯性力作用而碰撞沉积散体时,根据 接触力学,颗粒与沉积散体之间的法向接触力为 * *1/2 3/2 in

4 3 F E R δ = (1) 式中: 为有效接触半径;

为碰撞体之间的有 * R * E 效弹性模量;

δ为碰撞法向接触位移;

根据 Hertz 碰 撞理论,最大法向接触位移与颗粒法向冲击速度 win 之间的关系为 *

2 0.4 in max * *0.5

15 (

16 m w E R δ = ) (2) 其中 为有效碰撞质量,定义为 * m * p g

1 1

1 m m m = + (3) * p g

1 1

1 R R R = + (4)

2 2 p * p g

1 1

1 u u E E E ? ? = + g (5) 式中:u 为泊松比;

下标 p、g 分别代表冲击颗粒和 沉积体. 根据散体力学理论,当沉积散体受到 Fin 的碰撞 接触力时, 力在散体内的传播与扩散受散体颗粒的形 状尺寸、散体堆积特征、孔隙率、力链分布等多种因 素的影响. 当散体颗粒为球形颗粒, 并按如图

1 所示 六边形堆积时, 力在散体内的传播与分布具有搭拱效 应,并且沿着互成 60°角的

2 个方向形成双峰[10-11] . 图1中粗线表示峰值应力的分布位置. 当飞灰颗粒

1 与沉积体内的目标颗粒

2 发生碰 撞时,通过散体内的力链,颗粒

2 将碰撞冲击力传 递给与之相邻的颗粒

3 和颗粒 4,接着,颗粒

3 和 颗粒

4 又将冲击力继续在散体内传递下去.目标颗

1 w

2 3

4 图1颗粒冲击沉积散体示意图 Fig.

1 Diagram of the impaction between particle and granular medium 粒2在冲击力 Fin、 颗粒

3 和颗粒

4 反作用力下的总 法向分力可表示为 n Fn i F k F = n (6) 其中系数 kFn 取决于颗粒堆积方式和力在散体内的 传递特征. 1.2 散体颗粒的剥离机制 散体内的目标颗粒除了受到碰撞冲击力之外, 还受到流场的其他作用力,其受力情况如图 2[12] 所示.图中:Fn 表示颗粒被碰撞冲击后所受的总法向 作用力;

Fg 表示颗粒的重力;

Fb 表示烟气对颗粒的 浮力,相对于颗粒的密度,烟气气流的密度要小得 多,一般情况下,颗粒所受的浮力可忽略不计;

Flv 表示由流体沿颗粒尺度方向的速度差产生的升力;

Fadh 为颗粒与相邻接触面之间的黏附作用力;

Fd 为 烟气流对颗粒的拖曳力;

Ff 为颗粒与相邻接触面之 间的摩擦力. y d Fd Fg Fadh 2a Ff w Fn Fb Flv 图2散体内目标颗粒的受力分析 Fig.

2 Forces diagram of targetparticle in granular medium 根据牛顿第一定律,颗粒在垂直方向上的力平 衡方程为: n b lv g a

0 F F F F F 7)

2 lv f p f r 1.625 / F d w ρ ν u y = ? ? (8) 式中:νf 为流体的黏度;

wr 为颗粒与流体的相对速 度,由于飞灰颗粒的粒径比较小,在颗粒粒径范围 内,烟气速度沿 y 方向的梯度很小,因此,颗粒所 受的升力通常可忽略不计[12-13] ;

Fa 表示颗粒跳离沉 第11 期 潘亚娣等:电站锅炉受热面灰污剥离模型

35 积体所需克服的内应力,它源于颗粒与相邻接触面 之间的黏附作用: a a p

3 F k R Γ = π (9) 式中:Γ为接触体间的表面能;

Rp 为颗粒的半径;

ka 为黏附力系数, 取决于所处沉积散体的孔隙率 p、 配位数 m 等堆积特征[14] . 锅炉尾部烟道内的飞灰颗粒粒径一般都比较 小,属于微米级粉末颗粒,对于粒径小于

100 μm 的颗粒,接触面黏附力的数量级是重力数量级的

1 000 倍[11,15] ,因此,相对于黏附力,粉末颗粒的重 力对剥离的影响很小,可忽略不计. 由式(7)可见, 目标颗粒

2 主要受到来流颗粒惯 性碰撞引起的接触力 Fn 和内应力 Fa 的作用,前者 称为沉积颗粒的剥离动力,后者称为剥离阻力.当 目标颗粒

2 受到向上的剥离动力大于向下的剥离阻 力时,颗粒就跳离沉积体,进入烟气流通道[16-17] , 此时,来流颗粒的冲击速度称为临界剥离速度,综 合以上各式可导出临界剥离速度的表达式:

5 1/6 a mn_cri * *2 *3

5 Fn 0.812 6( ) F w R E m k = (10) 基于此颗粒惯性碰撞剥离模型,结合惯性碰撞 沉积模型, 便组成了完整的锅炉受热面灰污增长综合 模型.当烟道内的颗粒与沉积散体发生惯性碰撞时, 在临界黏附角之外, 受热面上没有积灰;

在临界黏附 角以内, 若颗粒的冲击速度小于临界反弹速度, 颗粒 便黏附沉积于受热面, 灰污沉积量增加;

若颗粒的冲 击速度大于临界反弹速度而小于临界剥离速度, 颗粒 与沉积体发生碰撞之后便弹离沉积表面, 灰污沉积量 保持不变;

若颗粒的冲击速度大于临界剥离........