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炉内流场对水冷壁高温腐蚀影响的数值模拟分析
炉内流场对水冷壁高温腐蚀影响的数值模拟分析 2011年12月09日 来源: 中图分类号:TK229.54 文献标识码:A文章编号:1001-2060(2000)03-0284-04Numerical Simulation and Analysis of the Effect of an In-furnace Flow Field on the High-temperature Corrosion of Water Walls in a Tangentially Fired Boiler FurnaceWang Ying Qin Yukun Wu Shaohua(College of Energy Science and Engineering under the Harbin Institute of Technology)With the help of a numerical simulation method for gas-solid dual-phase flows an analysis was performed of the cause of high-temperature corrosion in water walls of a tangentially fired 1000 t/h once-through boiler. The main cause of such corrosion has been identified as the rectangular layout of the burners at the front and rear walls, which leads to the impingement of flue gases on the water walls. The lack of oxygen in the neighborhood of the wall surface due to an irrational air distribution has also been found to be a main culprit. Key words: boiler, water wall, high-temperature corrosion, numerical simulation 某发电厂7号炉是上海锅炉厂早期制造的1 000 t/h亚临界直流锅炉,炉膛结构为单炉体双炉膛“Π”型布置,固态排渣方式,配300 MW发电机组。该炉自1980年投入运行至今,一直燃用含硫量高达1.1%~1.5%之间的高硫煤,1984年11月8日因高温腐蚀首次发生水冷壁爆管事故,爆管处管壁严重减薄,管壁减薄处壁厚仅为0.5毫米,直接经济损失达40多万元〔1〕。此后,该炉又多次发生不同程度的水冷壁烟气侧高温腐蚀,平均腐蚀速度为0.99~1.39毫米/万小时,最大概算腐蚀速度约为1.68~1.89毫米/万小时,严重危害了锅炉运行的安全性和经济性。1 设备概况 该炉炉膛结构及燃烧器喷口布置情况如图1所示。双炉膛共布置八组燃烧器,形成两个旋转方向相反、直径为Φ500毫米的切圆,双面水冷壁中部有2 255毫米的烟气压力平衡通道。原始设计中燃烧器为均等配风,一、二次风口相间布置,一次风自下而上分为甲、乙、丙、丁四层,喷口高宽比为540∶300;二次风自下而上分为A、B、C、D、E五层,喷口高宽比为400∶560。 炉膛横截面高温腐蚀的区域也在图1中标出。国内、外关于高温腐蚀的大量研究表明,烟气侧水冷壁发生高温腐蚀的区域是有规律的:通常多在燃烧高温区,即局部热负荷较高,管壁温度也较高的区域,例如燃烧器区附近,其余区域的高温腐蚀明显减弱或根本不发生高温腐蚀。图1 7号炉炉膛燃烧器布置及炉膛横截面腐蚀区域示意图 现场检查发现,7号炉水冷壁高温腐蚀部位主要分布在炉膛标高13~23米范围内,即水冷壁燃烧器区及其以上5米区域。在这一区域内,前后墙腐蚀尤为严重,6号角、7号角腐蚀速度最大,1号角、4号角次之,其余部位则较轻。2 数值模拟方法 电站直流锅炉的炉内流动是复杂的三维湍流流动过程,本文采用质量、动量守恒方程及经典的k-ε双方程湍流模型来模拟炉内气相湍流,得到下面描述时均定常的气相湍流运动控制方程组的通用形式: (1) 式中,为通用的气相场因变量,分别代表直角坐标三维方向上的速度、湍动能k、湍动能耗散率ε;、则分别代表各通用变量的有效扩散系数及源项。上述各变量的意义及表达式详见表1。表1 气相通用控制微分方程中各变量的意义及表达式方程连续100X动量方程Uμe精液稠
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