CN112528547B - 基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，S1，获取燃煤电厂烟道设计条件、工艺选型及磨损情况，并根据气固两相流的数值模拟研究及飞灰特性测试数据，采用适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型；S2，基于适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型，获取烟道内件及设备的磨损规律，确定磨损部位及磨损量，预测材料及设备使用寿命；S3，针对每个燃煤电厂尾部烟道内件及设备的磨损规律，提出系统性磨损治理方案。本发明为燃煤电厂锅炉锅炉尾部烟道磨损系统性治理提供了方法。由原始被动防磨措施，变为主动降磨治理，有效减少电厂维护检修的工作量和费用，提高锅炉尾部烟道系统的抗冲蚀磨损能力，改善尾部烟道及设备的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明属于资源与环境技术领域，涉及一种基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法。
背景技术
燃煤电厂自超低排放改造以来，不少燃煤电厂尾部烟道、导流板部件、脱硝催化剂以及低温省煤器在运行过程中存在不同程度的积灰和磨损问题，这些积灰磨损问题直接影响机组安全经济运行：导流板出现磨穿及撕裂将直接导致脱硝流场状况恶化；催化剂坍塌和穿孔造成烟气短路、氨逃逸量增大；低温省煤器入口模块严重磨损，很容易造成模块泄露，导致下游除尘器灰斗堵塞及板结。当煤质供应不稳定时，灰分整体浓度偏高，同时加上烟道内烟气飞灰分布不均，致使锅炉尾部烟道内件及设备出现不同程度磨损的问题更为突出。
现有技术的问题：
1、燃煤电厂现场磨损治理工作主要集中在如脱硝催化剂侧等锅炉烟道局部区域的磨损测试，面对各个燃煤电厂磨损问题的普遍性，未形成针对燃煤电厂锅炉锅炉尾部烟道整体进行系统性的防磨思路。
2、针对目前燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损治理，主要形成的是一些被动性防磨措施，现场出现较为严重的磨损问题后，才会采取一些被动性的磨损治理措施，如：换热管件贴防磨角钢、表面增加防磨涂层、上游增加换热假管等措施，存在一定的滞后性，未能在工程设计时预测磨损部位及磨损量，并提前采取相应防磨措施。
燃煤电厂对尾部烟道系统磨损规律的研究及磨损治理应用的需求较大，相关工作可为燃煤电厂创造可观的经济价值，因此急需一种解决锅炉尾部烟道磨损的方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的为，本发明的目的在于提供一种基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，本发明能够有效减少相关电厂维护检修的工作量和费用，提高整个锅炉尾部烟道系统的抗冲蚀磨损能力，改善尾部烟道及设备的安全可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，包括如下步骤：
S1，获取燃煤电厂烟道设计条件、工艺选型及磨损情况，并根据气固两相流的数值模拟研究及飞灰特性测试数据，采用适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型；
S2，基于适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型，获取烟道内件及设备的磨损规律，确定磨损部位及磨损量，预测材料及设备使用寿命；
S3，针对每个燃煤电厂尾部烟道内件及设备的磨损规律，提出系统性降磨防积灰方案。
优选的，S1中，飞灰特性测试内容包括飞灰成分分析、飞灰浓度、飞灰粒径分布、飞灰硬度、飞灰密度和飞灰粘性。
优选的，灰成分分析按照煤灰成分分析方法进行，检测依据为GB/T 1574-2007煤灰成分分析方法；飞灰密度按照自然堆积法测定；飞灰粒径分布的测定，检测依据为DL/T567.6-2016火力发电厂燃料试验方法-飞灰和炉渣可燃物的测定方法，测定飞灰的平均径、中位径和峰值；飞灰浓度测定依据GB/T16157固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法。
优选的，S1中，适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型如下：
式中：n1、n2为指定系数；Hv为材料维氏硬度；urel为粒子与壁面的相对速度，m/s；uref为颗粒参考速度，m/s；Dp为颗粒粒径，μm；Dref为颗粒参考粒径，μm；k2、k3为指定参考系数；ρw为飞灰密度，kg/m3，e90为参考冲蚀率，kg/(m3gs)；er为磨损率，kg/(m2gs)，α为入射角度，er,DNV@90为相对冲蚀率，kg/(m2gs)。
优选的，对所述适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型进行优化，优化时，将现场测定烟气飞灰密度、飞灰速度、飞灰粒径分布、飞灰硬度输入适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型，使用分布函数进行飞灰粒径分布拟合，拟合优度达到预设值以上时，则该分布函数满足模拟需求，使用该分布函数进行飞灰粒径分布拟合。
优选的，S2中，将飞灰特性数据及烟气参数依次输入锅炉尾部烟道的磨损模型，获取烟道壁面、导流板、催化剂和换热面的磨损率及磨损率分布，进而获得烟道内件及设备的磨损规律，根据材料或者设备的使用时间及磨损面面积，计算得到磨损部位在使用时长内的磨损量，若判断磨损严重时，根据磨损率、材料质量和材料面积反算材料及设备使用寿命。
优选的，S3中，系统性降磨防积灰方案包括：
粗颗粒飞灰预脱除、气流及飞灰浓度均布、防积灰措施、烟道壁面防磨措施、导流板防磨措施和换热器受热面磨损防护。
优选的，粗颗粒飞灰预脱除的过程包括：根据燃煤电厂尾部烟道气固两相流磨损模型计算得到粗颗粒飞灰的分布及流线轨迹，利用原有省煤器下部灰斗，扩大省煤器出口烟道并加装粗颗粒飞灰预脱除装置，进行粗颗粒飞灰预脱除。
优选的：
在粗颗粒飞灰预脱除之后，进行气流及飞灰浓度均布，气流及飞灰浓度均布包括如下过程：
在含有侧孔的位置测定飞灰浓度；在无侧孔位置区域，根据燃煤电厂尾部烟道气固两相流的运动规律及磨损特性的模型，监测烟气飞灰在各个烟道截面的浓度分布；在省煤器出口至除尘器入口段高浓度飞灰烟道段，增加烟气混合器；对竖直上升烟道转水平烟道的弯头及反应器入口顶部烟道及导流板匹配性优化，以降低催化剂入口飞灰浓度偏差使催化剂入口截面速度分布均匀及飞灰浓度均匀；在换热器换热面前加装格栅式导流板，打散换热管束前截面的高浓度飞灰区，以均布飞灰浓度；
在粗颗粒飞灰预脱除、气流及飞灰浓度均布后，进行烟道壁面防磨措施、导流板防磨措施和换热器受热面磨损防护，烟道壁面防磨措施和导流板防磨措施包括如下过程：若监测发现烟道壁面及导流板仍有重点磨损区域，对重点磨损区域进行防磨处理，防磨处理时采用贴防磨壁板或进行材料加厚处理的方式；换热器受热面磨损防护包括如下过程：若换热器受热面仍有局部高磨损区域，对局部高磨损区域换热管束采用防磨材料或者涂抹防磨涂层，在换热管束前增加防磨假管；
防积灰措施的过程包括：通过飞灰的沾污性分析，判断烟道内积灰流速的临界值，进行流场防积灰改造，以提升烟道及导流通道内的积灰流速，积灰流速高于积灰流速的临界值；通过各导流板部件将烟道本体中的弯折区域分为若干形状相同的烟气通道，使各烟气通道内烟气的流通阻力相同、各个烟气通道内烟气的流量相等、各个烟气通道内的积灰量均匀、烟气经各烟气通道后呈水平方向流动，烟气最终排出烟道本体；或者在烟道内加装烟气混合器形成强制旋流，以携带走烟道内的积灰。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法基于适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型，可揭示尾部烟道磨损规律，预测磨损部位及磨损量，判断材料及设备使用寿命。为解决燃煤电厂锅炉尾部烟道普遍磨损问题，提供了磨损治理方法。解决了燃煤电厂现场磨损治理工作主要集中在如脱硝催化剂侧等锅炉烟道局部区域的磨损测试，面对各个燃煤电厂磨损问题的普遍性，未形成针对燃煤电厂锅炉锅炉尾部烟道整体进行系统性的防磨思路的问题。目前燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损治理，主要形成的是一些被动性防磨措施，存在一定的滞后性。本发明由原始被动防磨措施，变为主动降磨治理。提出系统性降磨防积灰最优方案，有效减少相关电厂维护检修的工作量和费用，提高整个锅炉尾部烟道系统的抗冲蚀磨损能力，改善尾部烟道及设备的安全可靠性。燃煤机组锅炉尾部烟道未能在工程设计时考虑并提前采取相应防磨措施。为本发明燃煤锅炉尾部烟道系统磨损治理的优化改良、开发设计以及运行参数优化等提供依据。
附图说明
图1为本发明基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例来对本发明做进一步的说明。
本实施例基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，包括如下步骤：
1、根据气固两相流的数值模拟研究及飞灰特性测试数据，建立适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型。
2、基于适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道磨损模型，揭示烟道内件及设备的磨损规律，预测磨损部位及磨损量，判断材料及设备使用寿命。
3、针对每个燃煤电厂尾部烟道内件及设备的磨损规律，提出系统性降磨防积灰方案：飞灰粗颗粒预脱除，多级气流及飞灰浓度均布，防积灰技术，烟道壁面、导流板、换热器受热面被动防磨。
具体参照如下步骤：
(1)进行燃煤电厂锅炉尾部烟道磨损情况的调研，搜集尾部烟道设计条件、结构参数、工艺选型、现有磨损情况资料，分析尾部烟道磨损的主要原因。
(2)测试燃煤电厂飞灰特性。
测试燃煤电厂的飞灰特性，为后续燃煤电厂尾部烟道气固两相流数值模拟提供基础数据支撑。飞灰特性主要取决于燃烧煤质特性及锅炉燃烧运行方式。对燃煤机组锅炉尾部烟道省煤器出口飞灰及电除尘电场进行多点取样，并对飞灰特性进行全面表征，飞灰特性测试内容包含：飞灰成分分析、飞灰密度、飞灰粒径分布、飞灰浓度、飞灰粘性和飞灰硬度。
灰成分分析按照煤灰成分分析方法，检测依据GB/T 1574-2007《煤灰成分分析方法》。电厂飞灰的主要氧化物组成包括：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO和TiO2。
飞灰密度按照自然堆积法测定，检测依据GB/T 16913.3-1997《粉尘物性试验方法第3部分：堆积密度的测定自然堆积法》。
飞灰粒径分布的测定，检测依据DL/T567.6-2016《火力发电厂燃料试验方法-飞灰和炉渣可燃物的测定方法》，测定飞灰的平均径(算数加权平均)、中位径(累积50％时粒径)和峰值参数，飞灰粒径分布常采用LS颗粒度分析仪测试灰样的粒径分布，分析得到飞灰粒径与微分体积间的柱状图，为后期磨损模型飞灰粒径分布拟合提供数据支撑。
飞灰浓度分布是影响尾部烟道内件及设备的磨损的重要因素。如果局部烟气飞灰浓度过高，一方面容易造成烟道积灰，另一方面高速高浓度区极易造成烟道内件及设备的磨损。所以监测烟道内各个截面的烟气飞灰浓度分布尤为重要。飞灰浓度测定依据GB/T16157《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》。采用粉尘浓度测试仪，在测量断面测点处的网格点上逐点取样，每点采样时间根据现场条件决定，一般每次为(30～60)秒，每一工况重复取样3次，取样后将样品烘干并称重，采用重量法计算求出飞灰浓度的效率，此数据作为燃煤电厂尾部烟道气固两相流模拟飞灰浓度的输入值。
飞灰粘性是影响烟道及内件上的积灰状况的重要因素，表1为飞灰灰沾污性的三种判定准则，通过飞灰成分分析结果，结合三种判定准则综合判定飞灰粘性。
表1
(3)结合步骤(2)测定的实际电厂烟气飞灰特性，通过燃煤现场的烟道磨损情况及飞灰数据分析，采用气固两相流数值模拟研究的方法，采用适用于燃煤电厂尾部烟道的磨损模型。
适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型如下：
式中：n1、n2为指定系数；Hv为材料维氏硬度；urel为粒子与壁面的相对速度，m/s；uref为颗粒参考速度，m/s；Dp为颗粒粒径，μm；Dref为颗粒参考粒径，μm；k2、k3为指定参考系数；ρw为飞灰密度，kg/m3，e90为参考冲蚀率，kg/(m3gs)；er为磨损率，kg/(m2gs)，α为入射角度，er,DNV@90为相对冲蚀率，kg/(m2gs)。
根据现场测定烟气飞灰密度、飞灰速度、飞灰粒径分布和飞灰硬度这些特性，输入磨损模型，使用分布函数进行飞灰粒径分布拟合，拟合优度达到预设值以上时，满足模拟需求，则使用该函数进行飞灰粒径分布拟合。
比对现场实际磨损情况，如若与现场实际磨损情况有偏差，优化磨损模型，直至吻合现场实际磨损情况；
确立烟气流速、飞灰浓度、飞灰粒径分布、飞灰密度、飞灰硬度、飞灰碰撞角度、原始烟道内部件硬度、换热管排的布置方式等因素对磨损的影响。
(4)烟道壁面、导流板、催化剂及换热面磨损规律及磨损量预测
通过适用于燃煤电厂尾部烟道气固两相流的运动规律及磨损特性的磨损模型(3)，并结合实际电厂烟气飞灰特性，采用气固两相流数值模拟研究的方法，揭示烟道导流板和低温省煤器等部件的磨损规律，预测烟道内件的磨损部位和磨损量，与电厂烟道实际磨损情况相吻合，实现对锅炉尾部烟道的磨损情况的准确预测，为锅炉尾部烟道内件及设备被动防磨或主动降磨的方案提供理论支撑。
监测烟气在各个烟道截面的飞灰浓度及粒径分布
监测烟道壁面、导流板、催化剂及换热面这些内件严重磨损部位与磨损量。
根据烟道内件及设备磨损部位的磨损量，计算材料及设备的磨损寿命。
(5)根据步骤(4)的结果，提出系统性、针对性的烟道及设备的降磨防磨方案。具体措施包含：粗颗粒飞灰预脱除、气流及飞灰浓度均布、防积灰措施、烟道壁面、烟道内件(如导流板)防磨措施、低温省煤器等换热器受热面磨损防护。
1)粗颗粒飞灰预脱除
实践表明，粗颗粒飞灰是造成烟道及内件设备磨损的重要原因。根据燃煤电厂尾部烟道气固两相流磨损模型计算得到粗颗粒飞灰的分布及流线轨迹，利用原有省煤器下部灰斗，扩大省煤器出口烟道并加装粗颗粒飞灰预脱除装置，通过不同粒径的飞灰的惯性分离作用，进行粗颗粒飞灰预脱除，提高省煤器出口处的烟气飞灰收集能力，减轻粗颗粒飞灰对下游烟道内件及设备的磨损影响。
2)气流及飞灰浓度均布
在粗颗粒飞灰预脱除1)之后，进行气流及飞灰浓度均布。
气流及飞灰浓度是影响尾部烟道内件及设备的磨损的重要因素。如果局部烟气飞灰浓度过高，一方面低速区容易造成烟道积灰，另一方面高速高浓度区极易造成烟道内件及设备的磨损。均布烟道内各个截面的烟气飞灰浓度分布尤为重要。
在含有侧孔的位置通过粉尘浓度测试仪测定飞灰浓度，无侧孔位置区域，根据燃煤电厂尾部烟道气固两相流的运动规律及磨损特性的模型，监测烟气飞灰在各个烟道截面的浓度分布，为烟气飞灰均布技术提供原始飞灰浓度分布依据。
在省煤器出口至除尘器入口段高浓度飞灰烟道段，增加烟气混合器，增加烟道内的旋转混合效果，提高飞灰颗粒分散度，消除高浓度飞灰聚集区，降低因高速高浓度区飞灰对烟道、导流板及设备的磨损；对竖直上升烟道转水平烟道的弯头及反应器入口顶部烟道及导流板匹配性优化，降低催化剂入口飞灰浓度偏差，提高催化剂入口截面速度分布均匀性及飞灰浓度均匀性；低温省煤器等换热面前加装格栅式导流板等部件，打散换热管束前截面的高浓度飞灰区，进一步均布飞灰浓度。
3)防积灰技术
积灰与煤灰化学成分、烟气流速、飞灰粘性密切相关。燃煤灰分高、灰沾污性强，常规脱硝流场设计时未充分考虑煤质特性，极易导致烟道及导流板内部积灰、催化剂堵灰等问题。
通过飞灰的沾污性分析，判断烟道内积灰流速的临界值，进行流场防积灰改造，提升烟道及导流通道内的积灰流速，略高于积灰流速临界值，使靠近烟道及导流板底部的灰分能顺利被携带走，不形成异常积灰。
通过各导流板部件将烟道本体中的弯折区域分为若干形状相同的烟气通道，各烟气通道内烟气的流通阻力相同，各个烟气通道内烟气的流量相等，各个烟气通道内的积灰量均匀，烟气经各烟气通道后呈水平方向流动，最终排出烟道本体。
在烟道内加装烟气混合器形成强制旋流，也有利于携带走烟道内的积灰。
4)烟道内件(如烟道壁面、导流板)防磨措施
步骤1)和2)之后，监测发现烟道壁面及导流板等烟道内件仍有重点磨损区域，对该区域进行防磨处理，贴防磨壁板或进行材料加厚处理，延长使用年限；迎风面加装防磨角钢。
5)低温省煤器等换热器受热面磨损防护
对于粗颗粒飞灰预脱除1)及气流及飞灰浓度均布2)后，换热器(如低温省煤器)受热面热仍有局部高磨损区域，局部高磨损区域换热管束采用防磨材料或者涂抹防磨涂层，换热管束前增加防磨假管。
(6)对减磨方案进行进一步磨损预测，提出局部防磨措施
对于已经形成的磨损治理方案，进一步进行磨损预测，对于重点区域提出局部防磨措施。
Claims (4)
1.基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，获取燃煤电厂烟道设计条件、工艺选型及磨损情况，并根据气固两相流的数值模拟研究及飞灰特性测试数据，采用适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型；
S2，基于适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型，获取烟道内件及设备的磨损规律，确定磨损部位及磨损量，预测材料及设备使用寿命；
S3，针对每个燃煤电厂尾部烟道内件及设备的磨损规律，提出系统性降磨防积灰方案；
S1中，飞灰特性测试内容包括飞灰成分分析、飞灰浓度、飞灰粒径分布、飞灰硬度、飞灰密度和飞灰粘性；
S2中，将飞灰特性数据及烟气参数依次输入锅炉尾部烟道的磨损模型，获取烟道壁面、导流板、催化剂和换热面的磨损率及磨损率分布，进而获得烟道内件及设备的磨损规律，根据材料或者设备的使用时间及磨损面面积，计算得到磨损部位在使用时长内的磨损量，若判断磨损严重时，根据磨损率、材料质量和材料面积反算材料及设备使用寿命；
S3中，系统性降磨防积灰方案包括：
粗颗粒飞灰预脱除、气流及飞灰浓度均布、防积灰措施、烟道壁面防磨措施、导流板防磨措施和换热器受热面磨损防护；
粗颗粒飞灰预脱除的过程包括：根据燃煤电厂尾部烟道气固两相流磨损模型计算得到粗颗粒飞灰的分布及流线轨迹，利用原有省煤器下部灰斗，扩大省煤器出口烟道并加装粗颗粒飞灰预脱除装置，进行粗颗粒飞灰预脱除；
在粗颗粒飞灰预脱除之后，进行气流及飞灰浓度均布，气流及飞灰浓度均布包括如下过程：
在含有侧孔的位置测定飞灰浓度；在无侧孔位置区域，根据燃煤电厂尾部烟道气固两相流的运动规律及磨损特性的模型，监测烟气飞灰在各个烟道截面的浓度分布；在省煤器出口至除尘器入口段高浓度飞灰烟道段，增加烟气混合器；对竖直上升烟道转水平烟道的弯头及反应器入口顶部烟道及导流板匹配性优化，以降低催化剂入口飞灰浓度偏差使催化剂入口截面速度分布均匀及飞灰浓度均匀；在换热器换热面前加装格栅式导流板，打散换热管束前截面的高浓度飞灰区，以均布飞灰浓度；
在粗颗粒飞灰预脱除、气流及飞灰浓度均布后，进行烟道壁面防磨措施、导流板防磨措施和换热器受热面磨损防护，烟道壁面防磨措施和导流板防磨措施包括如下过程：若监测发现烟道壁面及导流板仍有重点磨损区域，对重点磨损区域进行防磨处理，防磨处理时采用贴防磨壁板或进行材料加厚处理的方式；换热器受热面磨损防护包括如下过程：若换热器受热面仍有局部高磨损区域，对局部高磨损区域换热管束采用防磨材料或者涂抹防磨涂层，在换热管束前增加防磨假管；
防积灰措施的过程包括：通过飞灰的沾污性分析，判断烟道内积灰流速的临界值，进行流场防积灰改造，以提升烟道及导流通道内的积灰流速，积灰流速高于积灰流速的临界值；通过各导流板部件将烟道本体中的弯折区域分为若干形状相同的烟气通道，使各烟气通道内烟气的流通阻力相同、各个烟气通道内烟气的流量相等、各个烟气通道内的积灰量均匀、烟气经各烟气通道后呈水平方向流动，烟气最终排出烟道本体；或者在烟道内加装烟气混合器形成强制旋流，以携带走烟道内的积灰。
2.根据权利要求1所述的基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，其特征在于，灰成分分析按照煤灰成分分析方法进行，检测依据为GB/T 1574-2007 煤灰成分分析方法；飞灰密度按照自然堆积法测定；飞灰粒径分布的测定，检测依据为DL/T567.6-2016 火力发电厂燃料试验方法-飞灰和炉渣可燃物的测定方法，测定飞灰的平均径、中位径和峰值；飞灰浓度测定依据GB/T16157 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法。
3.根据权利要求1所述的基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，其特征在于，S1中，采用的适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型如下：
式中：、为指定系数；为材料维氏硬度；为粒子与壁面的相对速度；为颗粒参考速度；为颗粒粒径；为颗粒参考粒径；、为指定参考系数；为飞灰密度，为参考冲蚀率；为磨损率，α为入射角度，为相对冲蚀率。
4.根据权利要求3所述的基于气固两相流数值研究解决锅炉尾部烟道磨损的方法，其特征在于，对所述适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型进行优化，优化时，将现场测定烟气飞灰密度、飞灰速度、飞灰粒径分布、飞灰硬度输入适用于燃煤电厂锅炉尾部烟道的磨损模型，使用分布函数进行飞灰粒径分布拟合，拟合优度达到预设值以上时，则该分布函数满足模拟需求，则使用该分布函数进行飞灰粒径分布拟合。
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