電廠換熱器圓柱繞流的流動特性分析

陳丹丹 閆 杰 王曉杰 烏云高娃

(錫林郭勒職業學院,內蒙古 錫林浩特026000)

1 課題研究的背景及意義

圓柱繞流雖然是經典的流體力學現象,在火力發電廠換熱器中流體相對物體的繞流現象也是比較常見的,如火力發電廠鍋爐內部的換熱器大多為管殼式換熱器,當煙氣掠過換熱器管束時,管子受到卡門渦街和紊流抖振的影響,可能會激發管束的非定常周期性振動以及產生相應的聲振動;在長期周期性的振動作用下換熱器實際材料可能會產生疲勞損傷、降低換熱器結構的實際強度,甚至導致換熱器失效。

本文以某電廠中的換熱器為研究對象,采用CFD方法,對鍋爐尾部煙道換熱器進行圓柱繞流數值模擬分析,分析不同工況下圓柱繞流時的流動特性,分析近尾部區域時均及瞬態流場、阻力系數、升力系數特性,通過對流動特性的分析來解決電廠換熱器中存在的鍋爐尾部煙道換熱器存在的振動問題,同時還對比了換熱器在順列及錯列不同布置方式下的振動效果,最終確定該電廠鍋爐尾部煙道換熱器振動位置;通過數值模擬分析的結論提出解決方案并實施,為該電廠平穩、高效運行提供了有效的技術保障。

2 電廠鍋爐尾部煙道換熱器振動問題國內外研究現狀

Harden和Strop等計算在一定的雷諾數范圍內,管束繞流的渦街脫落誘發的卡門渦街振動。Blevins和Burton應用隨機振動理論,建立了動態的渦街脫落誘發的卡門渦街振動模型。賴永星等利用計算流體力學軟件Ansys/Flotran CFD對粘性不可壓縮流體圓管繞流渦街的產生和演化過程進行了數值模擬。除空氣預熱器,鍋爐受熱面均為多管束組成的管殼式換熱器,針對此類問題,包士毅等人使用計算流體動力學(CFD)和計算結構動力學(CSD)耦合的計算方法,分析了在單相流體橫向作用下相鄰管束間耦合振動引起的管束失效問題,在時域和頻域內分析了管陣的渦結構及相鄰管束間振動響應規律。發現管束振動受管束固有頻率和渦脫頻率的共同影響,周圍相鄰管束的振動會對管束流體力波動及頻率主導性產生顯著影響。

3 電廠鍋爐尾部煙道換熱器存在的問題

某電廠鍋爐從2016年檢修后尾部煙道時常振動,發生振動時鍋爐周圍會產生低沉的轟鳴聲,現場巡視發現鍋爐的水冷壁和水平煙道很安靜,振動主要來自于鍋爐的尾部豎井。面對巨大且整體振動的尾部豎井,尋找振源是處理和解決問題的關鍵。導致振動的原因有很多,經過分析,首先從現場運行調節入手,即通過調節煙氣流速來觀察尾部煙道振動的變化情況,結果表明振動和煙氣流速的大小有很大關系,煙氣流速增加,振動增強,反之,減少。進一步監視鍋爐煙氣參數,發現振動與負荷有關,主要發生在600MW負荷以上,隨著負荷的繼續增加,振動也逐漸增強。

4 鍋爐受熱面圓柱繞流分析

4.1 根據電廠換熱器實際尺寸進行幾何建模及網格劃分,如圖1所示。

圖1 幾何模型及邊界設置

4.2 計算結果分析

4.2.1 順列布置時的流場和氣動力分析

圖2為工況三時各圓柱周圍的速度、渦量和壓力場分布,從圖中可以看出,除第一行和最后兩行外,中間各行和各列的管束周圍流場分布都比較相近。進一步觀察第一行和最后一行管束后面的速度矢量場,發現在第一行管束后面,都形成了一對反向旋轉的渦。但是,管束所處的列不同,渦的形狀也不相同,中間的第4列管束后面的渦基本呈對稱分布,而兩側的管束,則形成了一大一小的兩渦。

對各行管束均采用D=0.045 m和v=4.95 m/s進行了無量綱化,得到圖3不同行、列升阻力系數平均值的分布曲線。從圖3(a)中可以看出,第一行各列的升力系數差別較大,第二列和第五排,也就是沿著來流方向進口的第二列和接近出口的第二列不同列數的升力系數差別較大,但呈對稱分布,其它各列的升力系數平均值均分布在0左右。從圖3(b)中可以看出,第一行各列所受到的平均阻力系數值要遠遠大大其它各列,這點從圖2(c)的壓力云圖可以明顯的找到原因。當流體繞流過圓柱時,會在圓柱后側形成渦,從而使作用在圓柱上的升力和阻力系數發生周圍性的波動,長期的力的波動會使圓柱產生疲勞破壞。

圖2 速度、渦量和壓力云圖

圖3 平均升、阻力系數

4.2.2 錯列布置時的流場和氣動力分析

管束錯列布置時圓柱周圍的流場如圖4所示。由于前后兩行的管束不是處于正對的位置,因此后一行的管束不再處于前一行管束的尾跡之中,使得后一行管束的迎面煙速變大,換熱效果變好,但是流動阻力變大。在順列布置中,后一行管束所受氣動力來自兩方面:前一行管束形成的尾跡渦和自身尾跡渦;而錯列時,管束主要受到自身尾跡渦的影響。圖5為錯列布置時各圓柱所受到的平均氣動力。

圖4 速度、渦量和壓力云圖(工況一)

圖5 升、阻力系數波動幅值(錯列布置)

根據數值模擬中對管排順列及錯列布置時的流場和氣動力分析結果,可知,不論是順列還是錯列布置,臨近管束出口布置的幾行管束,在其受熱管表面會產生更大波幅的氣動力,該氣動力和煙氣流速,即雷諾數Re有關,隨著煙氣流速增加,Re增大,力的波動幅度也會增加,繼而會出現卡門渦街,并最終造成管子的激振力頻率和自振頻率相同,導致共振的發生。這也是為此電廠尾部煙道管束的振動和鍋爐負荷以及煙氣擋板開度有關的原因。相比錯列管束,順列管束更容易發生大幅振動,根據上述分析初步判定順列布置,也就是鍋爐尾部煙道處低溫過熱器和低溫再熱器靠近出口的位置管束最有可能出現振動大的現象。

5 鍋爐尾部煙道換熱器振動問題的實施效果

通過上述仿真實驗,初步判定了振動產生的位置是在是鍋爐尾部煙道處低溫過熱器和低溫再熱器靠近出口的位置,針對初步判定結果再去現場進行了針對性的測量,發現振動的問題正好出現在了這些地方,從而確定了振動范圍和位置。針對振動位置采取加裝隔板的解決方案,鍋爐尾部煙道的改造后,專門做了過熱器、再熱器擋板開度與尾部煙道振動試驗,結果表明600 MW負荷時尾部煙道無振動。

6 結論

本文從鍋爐尾部煙道的換熱器圓柱繞流過程中存在振動問題出發,以電廠尾部煙道相關換熱器設備及相關參數為基礎,對電廠換熱器參數及布置方式進行二維數值模擬分析。通過鍋爐尾部煙道換熱器圓柱繞流情況,得出換熱器產生振動的原因并確定了振動大的主要位置,同時提出了如何降低由于振動對機組造成影響的方案,并對方案實施前后振動情況進行了對比。通過振動分析、仿真實驗及最終的方案設定與實施,尾部煙道振動基本得到了治理。