預測加熱器進口防沖擋板及殼壁沖蝕位置的數值模擬

陳曉欣， 胥建群， 蔣偉莉

(東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096)

回熱系統高壓加熱器因具有減少冷源損失和提高機組效率的作用，被廣泛應用于電力、化工和冶金等行業，若發生故障將影響整個系統經濟性運行。在實際生產過程中，流入加熱器殼側的高溫高壓流體會持續沖刷進口防沖擋板及鄰近殼壁，造成進口防沖擋板損壞和殼壁減薄泄漏，嚴重影響換熱效果和流動穩定性，從而導致電廠降負荷或停機，甚至造成人員傷亡等事故。因此，預測進口防沖擋板及鄰近殼壁沖蝕位置以預防擋板損壞及殼體泄漏成為保證機組安全經濟運行的關鍵因素。

筆者針對某電廠回熱系統加熱器[4-5]，建立汽流沖蝕模型，運用CFD軟件對加熱器進口防沖擋板、殼壁附近和上級疏水擋板的流場進行三維模擬，能夠準確、詳細地預測加熱器進口防沖擋板及鄰近殼壁汽流沖蝕位置，定性研究擋板和殼體可能被沖蝕區域及沖蝕磨損程度。

1 加熱器數值建模

1.1 物理對象與簡化條件

圖1為該電廠回熱系統加熱器結構圖，在蒸汽冷卻段設有4塊擋板，在疏水冷卻段設有5塊擋板進行疏水導流。在蒸汽進口和上級疏水進口均設防沖擋板，主要為了緩解進口高溫高壓汽流直接沖刷換熱管，造成管束泄漏等?？紤]殼側擋板設置等結構復雜，還涉及凝結換熱問題，而管側換熱相對簡單，因此重點探索殼側流動和傳熱特性[6]。

圖1 高壓加熱器結構圖

因加熱器實際管子數量龐大，為使數值建模順利進行，同時節省數值計算的時間成本，筆者在保證加熱器基本流動參數和結構基本相同的條件下對研究對象進行簡化處理。經簡化處理的加熱器參數見表1。

表1 加熱器結構與工質參數

1.2 網格劃分

因模擬對象管殼兩側沿換熱管縱向物性變化不大，且殼側流場狀況對換熱效果影響[7]更大，故殼側橫截面上網格分布更加密集。網格劃分用六面體或楔形網格模型，網格數量為126.8萬。

1.3 數值模擬方法

采用ANSYS 14.5軟件完成數值計算，加熱器內部湍流流動模型采用雷諾平均方法,采用k-ε模型，Scalable壁面函數；凝結相變過程采用Mixture模型，管殼側換熱采用耦合換熱方式[8]。求解控制設置，為了求解結果收斂的穩定性，差分格式為High Resolution，最大迭代次數設為100，收斂判別準則中殘差類型選擇RMS，質量及能量計算殘差控制在10-4數量級，監視殘差變化直至收斂。

1.4 汽流沖蝕模型

加熱器殼側在抽汽口或上級疏水進口處容易因壓力變化而液化，形成氣液兩相流動[9]，由高速蒸汽攜帶的液滴將撞擊并腐蝕擋板及殼壁氧化層金屬,進而導致壁面變薄，甚至泄漏。液滴撞擊磨損程度由很多因素決定，表達式為[10]：

(1)

式中：m為磨損速率，kg/s;C為常數；N為頻率，Hz；液滴作用力F(θ)為特征函數，θ為沖蝕角度，rad；ρ為工質密度，kg/m3；un為工質撞擊壁面的法向速度，m/s;HV為壁面硬度，GPa。

2 數值模擬結果分析

為防止高參數蒸汽對換熱管的直接沖刷，通常在高壓加熱器蒸汽進口、低壓加熱器蒸汽進口和高壓加熱器上級疏水進口設置防沖擋板。然而，防沖擋板的設置使得直接沖刷防沖擋板的高速流體部分回流，轉而沖刷殼壁，導致防沖擋板和殼壁沖蝕，嚴重威脅加熱器安全運行。

2.1 蒸汽進口防沖擋板沖蝕

圖3 不同進口水體積分數進口防沖擋板附近分布

由圖2、圖3可以看出：在抽汽口正下方位置蒸汽沖刷進口防沖擋板法向速度絕對值較大，即該位置易發生流體加速腐蝕；隨工質中水體積分數增加，進口防沖擋板上蒸汽的法向速度增大，進口防沖擋板腐蝕及殼壁磨損程度更加嚴重。

2.2 上級疏水防沖擋板沖蝕

實際運行中，當疏水流經閥門等部件時，瞬時壓力會大幅降低，工質汽化致使上級疏水擋板同樣面臨氣液兩相流沖蝕問題。分別對熱耗率驗收(THA)工況、75%THA工況和50%THA工況下上級疏水擋板[13-14]工質法向速度進行模擬，見圖4、圖5。由圖5可以看出：整體來看擋板下部工質流速均高于上部流速，隨負荷降低工質流速明顯減小。

圖4 擋板位置示意

圖5 上級疏水擋板處各負荷工況工質法向速度分布

上級疏水擋板上水相分布見圖6。由圖6可以看出：高負荷時只有擋板邊緣發生汽化；但在50%THA低負荷時上級疏水擋板的汽化區域明顯擴大，說明負荷越低進入加熱器的工質更易發生汽化。氣液兩相導致的流體加速腐蝕嚴重威脅進口防沖擋板、殼壁和上級疏水擋板，而負荷突變至低負荷又使得防沖擋板受力不均而損壞， 實際運行中應盡量避免氣液兩相流及負荷突變情況發生。

圖6 上級疏水擋板處水相分布

3 預測進口防沖擋板沖蝕位置

殼體和防沖擋板受氣液兩相流沖蝕[15]可能導致殼體泄漏和擋板斷裂，現場圖見圖7、圖8。

圖7 加熱器殼體沖蝕現場圖

圖8 加熱器防沖擋板沖蝕現場圖

為提高加熱器運行安全系數，須提前預測防沖擋板及殼體沖蝕位置來及時啟動防御系統。進口防沖擋板處流線見圖9，取緊貼進口防沖擋板位置截面觀察流線分布，其中蒸汽冷卻段為2～5號流道。因與進口防沖擋板碰撞，從垂直擋板的進口流入的蒸汽首先沖擊防沖擋板隨后回彈至靠近防沖擋板兩側殼壁。由左視圖圖9(b)可以看出：在殼體與進口防沖擋板之間的狹窄區域會有大量蒸汽回彈沖蝕磨損殼體，尤其擋板上方鄰近左右兩側殼體處沖蝕較為嚴重。進口防沖擋板沖蝕位置主要分布在蒸汽進口管下方。

圖9 進口防沖擋板處流線圖

圖10是蒸汽進口防沖擋板上方殼側蒸汽法向速度分布，可以看出殼體容易發生流動加速腐蝕的部位是緊鄰進口防沖擋板兩側邊緣的部位(見圖11)，因擋板折流作用工質流體多以法向沖擊磨損殼體。高壓加熱器擋板上方附近殼壁實際沖蝕情況為進口管正下方擋板左右兩側殼體沖蝕嚴重，經與文獻[3]對比驗證，該數值模擬預測沖蝕位置與現場情況吻合良好。

圖11 進口處擋板導流

4 結語

以工程常用高壓加熱器為研究對象，分別就加熱器進口防沖擋板、防沖擋板上方鄰近殼壁和上級疏水擋板附近的流場進行模擬，得出：

(2) 分別對THA、75%THA和50%THA工況下的上級疏水擋板工質流速和水相分布進行模擬，得出擋板上部流速小于下部流速，下邊緣流速最大，且隨負荷降低工質流量降低流速也降低；高負荷時上級疏水擋板水相份額最大，當負荷降低至50%THA工況時擋板汽化現象十分明顯，可見負荷越低越易發生流動加速腐蝕。

(3) 進口防沖擋板及殼壁沖蝕位置的預測結果與現場測量位置吻合良好，驗證該模擬方法的可靠性和正確性。在實際運行中，高溫高壓汽流對擋板持續沖刷侵蝕易造成擋板損壞和殼壁減薄，預測擋板可能被沖蝕位置并預先在易腐蝕部位采用耐腐蝕擋板材料、加裝耐腐蝕保護層及考慮負荷優化運行等，有效減少因沖蝕導致泄漏的損失，具有一定的工程應用價值。