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【摘 要】利用FLUENT模拟了省煤器顺列管束间烟气的流动及粒子对管束的磨损，得出了管束间烟气流动特性，管束磨损严重位置及原因，为电厂省煤器管束的布置和防磨提供了理论依据。
【关键词】省煤器 磨损 数值模拟
一、前言
本文利用FLUENT软件应用k-ε双方程模型模拟省煤器管束间烟气的流动，用拉格朗日方法研究管束间颗粒的运动，并通过颗粒碰撞反弹恢复比考虑颗粒与壁面的碰撞反弹，利用FLUENT中的磨损该模型研究了颗粒流速、入射角度、壁面材料硬度及颗粒尺寸等参数对管壁磨损的影响，得到省煤器管壁的磨损特性，得出平均磨损速率和最大磨损速率沿管排分布特性，对省煤器管排的布置和减小磨损有着重要的意义。
二、研究对象
本文以某300MW煤粉锅炉的省煤器为研究对象，分析省煤器中烟气的流动、烟气中飞灰颗粒的运动及省煤器受热面的磨损。煤质分析数据如下[1]：
常规空气燃烧下，过量空气系数取1.27。在改变结构时增压富氧燃烧工况下，省煤器尺寸有所改变，因此，在同样的烟道截面积下，烟气中飞灰颗粒质量流量也发生了变化。省煤器为顺列管束，管外径取m，管壁厚m，省煤器所用钢材为SA-210C。省煤器进口烟温均取450℃，烟气中飞灰颗粒密度取2000kg/m3，颗粒平均粒径为70μm。各工况下模拟参数：横向节距的管径比为2.75，纵向节距的管径比为1.75，烟气密度为0.51kg/m3，烟气粘度为32.01?Pa·s，入口烟气流速为7.38 m/s，颗粒质量流量为0.029 kg/s，斯托克斯数St为2.46。
三、物理模型
取省煤器中横向6排，纵向10排的顺列管束，如图1所示。
含灰气流的磨损是一个复杂的过程，它包括许多复杂的现象，比如：气体-颗粒、颗粒-颗粒和气体-颗粒-壁面的相互作用。为了给工程应用提供一个合理的参考，本文对所计算模型做了一些简化假设。
四、数值模拟结果分析
（一）连续相流场
通过以上不同燃烧工况下的速度矢量图对比可见，管间最大烟气流速达到9.92m/s，上下两排管之间的烟气流速较小连续相的流动状态直接决定着离散相的流态[2]，从而影响磨损量。飞灰颗粒受到烟气拖曳力作用，因此，颗粒最大速度分布很大程度上决定于烟气最大流速位置。
（二）颗粒相运动状态
管束间颗粒流速分布如下图2所示：
由以上各工况下颗粒流速分布可见，在靠近进口的几排管附近，颗粒的流速分布比较均匀，沿着烟气流动方向，颗粒的流速分布变得不均匀，这是由于在后面的管排上，颗粒的碰撞次数增多，运动也更复杂。
由图可见，对于第一排管，颗粒与壁面碰撞时入射角主要分布在0-45度，由磨损机理可知，此时塑性变形为主要磨损方式，而对于第一排以后的管排，大部分颗粒与壁面碰撞时入射角在60-90度之间，此时剪切磨损为主要磨损方式[3]。
图1 受热面管束布置 图2颗粒流速分布图
常压空气燃烧工况下，由于烟气流速大，颗粒的流速和Stokes数也较大，而且烟气密度小，烟气携带能力差，颗粒跟随能力弱，颗粒撞击壁面后受到的约束小。
（三）磨损位置对比
颗粒对第一排管的撞击最多，该排管束的磨损也最严重，对于第一排以后的管排，撞击和磨损较小。图中颜色较浅区域为最大磨损发生位置，即最易泄露区。常压空气燃烧下，颗粒跟随性差，这使得颗粒更容易穿过边界层撞击第一排管，撞击后的颗粒动能减少，对后排管的撞击磨损能力减弱。
（四）不同管排磨损量对比
此处考虑单位时间单位面积上壁面材料的磨损量（kg/（m2﹒s）），各管排平均磨损量是指各管排在管壁面上磨损量的平均值，最大磨损量为最大磨损位置处的磨损量。
由以上两图可见，常压空气燃烧工况下，第一排管的平均磨损量远大于其余管排，达到其余管排平均磨损量的十几倍，其余管排除了第二排管磨损量较低外自第三排管后趋于平稳，这是由流体及颗粒运动特性决定的。
五、结束语
（一）通过粒子流速分布得到了管束间烟气和颗粒的流动及磨损特性。
（二）模拟出不同管排磨损的位置，得出第一排管束的平均磨损量远大于其余管排，甚至能够达到其它管排平均磨损量的十几倍，可以根据磨损位置与磨损量在相应的位置采取防磨措施。
本文能够为省煤器的安装、安全运行与防磨装置的安装提供理论依据，电厂省煤器实际防磨装置安装位置与本文模拟结果基本相同。
参考文献：
[1]周菊华.电厂锅炉[M].北京：中国电力出版社，2004
[2]刘洪涛.气固两相流中微细颗粒沉积与扩散特性的数值研究[D].重庆：重庆大学，2010.
[3]岑可法、樊建人、池作和等.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理和计算[M].北京：科学出版社，1994
【关键词】省煤器 磨损 数值模拟
一、前言
本文利用FLUENT软件应用k-ε双方程模型模拟省煤器管束间烟气的流动，用拉格朗日方法研究管束间颗粒的运动，并通过颗粒碰撞反弹恢复比考虑颗粒与壁面的碰撞反弹，利用FLUENT中的磨损该模型研究了颗粒流速、入射角度、壁面材料硬度及颗粒尺寸等参数对管壁磨损的影响，得到省煤器管壁的磨损特性，得出平均磨损速率和最大磨损速率沿管排分布特性，对省煤器管排的布置和减小磨损有着重要的意义。
二、研究对象
本文以某300MW煤粉锅炉的省煤器为研究对象，分析省煤器中烟气的流动、烟气中飞灰颗粒的运动及省煤器受热面的磨损。煤质分析数据如下[1]：
常规空气燃烧下，过量空气系数取1.27。在改变结构时增压富氧燃烧工况下，省煤器尺寸有所改变，因此，在同样的烟道截面积下，烟气中飞灰颗粒质量流量也发生了变化。省煤器为顺列管束，管外径取m，管壁厚m，省煤器所用钢材为SA-210C。省煤器进口烟温均取450℃，烟气中飞灰颗粒密度取2000kg/m3，颗粒平均粒径为70μm。各工况下模拟参数：横向节距的管径比为2.75，纵向节距的管径比为1.75，烟气密度为0.51kg/m3，烟气粘度为32.01?Pa·s，入口烟气流速为7.38 m/s，颗粒质量流量为0.029 kg/s，斯托克斯数St为2.46。
三、物理模型
取省煤器中横向6排，纵向10排的顺列管束，如图1所示。
含灰气流的磨损是一个复杂的过程，它包括许多复杂的现象，比如：气体-颗粒、颗粒-颗粒和气体-颗粒-壁面的相互作用。为了给工程应用提供一个合理的参考，本文对所计算模型做了一些简化假设。
四、数值模拟结果分析
（一）连续相流场
通过以上不同燃烧工况下的速度矢量图对比可见，管间最大烟气流速达到9.92m/s，上下两排管之间的烟气流速较小连续相的流动状态直接决定着离散相的流态[2]，从而影响磨损量。飞灰颗粒受到烟气拖曳力作用，因此，颗粒最大速度分布很大程度上决定于烟气最大流速位置。
（二）颗粒相运动状态
管束间颗粒流速分布如下图2所示：
由以上各工况下颗粒流速分布可见，在靠近进口的几排管附近，颗粒的流速分布比较均匀，沿着烟气流动方向，颗粒的流速分布变得不均匀，这是由于在后面的管排上，颗粒的碰撞次数增多，运动也更复杂。
由图可见，对于第一排管，颗粒与壁面碰撞时入射角主要分布在0-45度，由磨损机理可知，此时塑性变形为主要磨损方式，而对于第一排以后的管排，大部分颗粒与壁面碰撞时入射角在60-90度之间，此时剪切磨损为主要磨损方式[3]。
图1 受热面管束布置 图2颗粒流速分布图
常压空气燃烧工况下，由于烟气流速大，颗粒的流速和Stokes数也较大，而且烟气密度小，烟气携带能力差，颗粒跟随能力弱，颗粒撞击壁面后受到的约束小。
（三）磨损位置对比
颗粒对第一排管的撞击最多，该排管束的磨损也最严重，对于第一排以后的管排，撞击和磨损较小。图中颜色较浅区域为最大磨损发生位置，即最易泄露区。常压空气燃烧下，颗粒跟随性差，这使得颗粒更容易穿过边界层撞击第一排管，撞击后的颗粒动能减少，对后排管的撞击磨损能力减弱。
（四）不同管排磨损量对比
此处考虑单位时间单位面积上壁面材料的磨损量（kg/（m2﹒s）），各管排平均磨损量是指各管排在管壁面上磨损量的平均值，最大磨损量为最大磨损位置处的磨损量。
由以上两图可见，常压空气燃烧工况下，第一排管的平均磨损量远大于其余管排，达到其余管排平均磨损量的十几倍，其余管排除了第二排管磨损量较低外自第三排管后趋于平稳，这是由流体及颗粒运动特性决定的。
五、结束语
（一）通过粒子流速分布得到了管束间烟气和颗粒的流动及磨损特性。
（二）模拟出不同管排磨损的位置，得出第一排管束的平均磨损量远大于其余管排，甚至能够达到其它管排平均磨损量的十几倍，可以根据磨损位置与磨损量在相应的位置采取防磨措施。
本文能够为省煤器的安装、安全运行与防磨装置的安装提供理论依据，电厂省煤器实际防磨装置安装位置与本文模拟结果基本相同。
参考文献：
[1]周菊华.电厂锅炉[M].北京：中国电力出版社，2004
[2]刘洪涛.气固两相流中微细颗粒沉积与扩散特性的数值研究[D].重庆：重庆大学，2010.
[3]岑可法、樊建人、池作和等.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理和计算[M].北京：科学出版社，1994