陈丹丹 闫 杰 王晓杰 乌云高娃

(锡林郭勒职业学院,内蒙古 锡林浩特026000)

1 课题研究的背景及意义

圆柱绕流虽然是经典的流体力学现象,在火力发电厂换热器中流体相对物体的绕流现象也是比较常见的,如火力发电厂锅炉内部的换热器大多为管壳式换热器,当烟气掠过换热器管束时,管子受到卡门涡街和紊流抖振的影响,可能会激发管束的非定常周期性振动以及产生相应的声振动;在长期周期性的振动作用下换热器实际材料可能会产生疲劳损伤、降低换热器结构的实际强度,甚至导致换热器失效。

本文以某电厂中的换热器为研究对象,采用CFD方法,对锅炉尾部烟道换热器进行圆柱绕流数值模拟分析,分析不同工况下圆柱绕流时的流动特性,分析近尾部区域时均及瞬态流场、阻力系数、升力系数特性,通过对流动特性的分析来解决电厂换热器中存在的锅炉尾部烟道换热器存在的振动问题,同时还对比了换热器在顺列及错列不同布置方式下的振动效果,最终确定该电厂锅炉尾部烟道换热器振动位置;通过数值模拟分析的结论提出解决方案并实施,为该电厂平稳、高效运行提供了有效的技术保障。

2 电厂锅炉尾部烟道换热器振动问题国内外研究现状

Harden和Strop等计算在一定的雷诺数范围内,管束绕流的涡街脱落诱发的卡门涡街振动。Blevins和Burton应用随机振动理论,建立了动态的涡街脱落诱发的卡门涡街振动模型。赖永星等利用计算流体力学软件Ansys/Flotran CFD对粘性不可压缩流体圆管绕流涡街的产生和演化过程进行了数值模拟。除空气预热器,锅炉受热面均为多管束组成的管壳式换热器,针对此类问题,包士毅等人使用计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)耦合的计算方法,分析了在单相流体横向作用下相邻管束间耦合振动引起的管束失效问题,在时域和频域内分析了管阵的涡结构及相邻管束间振动响应规律。发现管束振动受管束固有频率和涡脱频率的共同影响,周围相邻管束的振动会对管束流体力波动及频率主导性产生显著影响。

3 电厂锅炉尾部烟道换热器存在的问题

某电厂锅炉从2016年检修后尾部烟道时常振动,发生振动时锅炉周围会产生低沉的轰鸣声,现场巡视发现锅炉的水冷壁和水平烟道很安静,振动主要来自于锅炉的尾部竖井。面对巨大且整体振动的尾部竖井,寻找振源是处理和解决问题的关键。导致振动的原因有很多,经过分析,首先从现场运行调节入手,即通过调节烟气流速来观察尾部烟道振动的变化情况,结果表明振动和烟气流速的大小有很大关系,烟气流速增加,振动增强,反之,减少。进一步监视锅炉烟气参数,发现振动与负荷有关,主要发生在600MW负荷以上,随着负荷的继续增加,振动也逐渐增强。

4 锅炉受热面圆柱绕流分析

4.1 根据电厂换热器实际尺寸进行几何建模及网格划分,如图1所示。

图1 几何模型及边界设置

4.2 计算结果分析

4.2.1 顺列布置时的流场和气动力分析

图2为工况三时各圆柱周围的速度、涡量和压力场分布,从图中可以看出,除第一行和最后两行外,中间各行和各列的管束周围流场分布都比较相近。进一步观察第一行和最后一行管束后面的速度矢量场,发现在第一行管束后面,都形成了一对反向旋转的涡。但是,管束所处的列不同,涡的形状也不相同,中间的第4列管束后面的涡基本呈对称分布,而两侧的管束,则形成了一大一小的两涡。

对各行管束均采用D=0.045 m和v=4.95 m/s进行了无量纲化,得到图3不同行、列升阻力系数平均值的分布曲线。从图3(a)中可以看出,第一行各列的升力系数差别较大,第二列和第五排,也就是沿着来流方向进口的第二列和接近出口的第二列不同列数的升力系数差别较大,但呈对称分布,其它各列的升力系数平均值均分布在0左右。从图3(b)中可以看出,第一行各列所受到的平均阻力系数值要远远大大其它各列,这点从图2(c)的压力云图可以明显的找到原因。当流体绕流过圆柱时,会在圆柱后侧形成涡,从而使作用在圆柱上的升力和阻力系数发生周围性的波动,长期的力的波动会使圆柱产生疲劳破坏。

图2 速度、涡量和压力云图

图3 平均升、阻力系数

4.2.2 错列布置时的流场和气动力分析

管束错列布置时圆柱周围的流场如图4所示。由于前后两行的管束不是处于正对的位置,因此后一行的管束不再处于前一行管束的尾迹之中,使得后一行管束的迎面烟速变大,换热效果变好,但是流动阻力变大。在顺列布置中,后一行管束所受气动力来自两方面:前一行管束形成的尾迹涡和自身尾迹涡;而错列时,管束主要受到自身尾迹涡的影响。图5为错列布置时各圆柱所受到的平均气动力。

图4 速度、涡量和压力云图(工况一)

图5 升、阻力系数波动幅值(错列布置)

根据数值模拟中对管排顺列及错列布置时的流场和气动力分析结果,可知,不论是顺列还是错列布置,临近管束出口布置的几行管束,在其受热管表面会产生更大波幅的气动力,该气动力和烟气流速,即雷诺数Re有关,随着烟气流速增加,Re增大,力的波动幅度也会增加,继而会出现卡门涡街,并最终造成管子的激振力频率和自振频率相同,导致共振的发生。这也是为此电厂尾部烟道管束的振动和锅炉负荷以及烟气挡板开度有关的原因。相比错列管束,顺列管束更容易发生大幅振动,根据上述分析初步判定顺列布置,也就是锅炉尾部烟道处低温过热器和低温再热器靠近出口的位置管束最有可能出现振动大的现象。

5 锅炉尾部烟道换热器振动问题的实施效果

通过上述仿真实验,初步判定了振动产生的位置是在是锅炉尾部烟道处低温过热器和低温再热器靠近出口的位置,针对初步判定结果再去现场进行了针对性的测量,发现振动的问题正好出现在了这些地方,从而确定了振动范围和位置。针对振动位置采取加装隔板的解决方案,锅炉尾部烟道的改造后,专门做了过热器、再热器挡板开度与尾部烟道振动试验,结果表明600 MW负荷时尾部烟道无振动。

6 结论

本文从锅炉尾部烟道的换热器圆柱绕流过程中存在振动问题出发,以电厂尾部烟道相关换热器设备及相关参数为基础,对电厂换热器参数及布置方式进行二维数值模拟分析。通过锅炉尾部烟道换热器圆柱绕流情况,得出换热器产生振动的原因并确定了振动大的主要位置,同时提出了如何降低由于振动对机组造成影响的方案,并对方案实施前后振动情况进行了对比。通过振动分析、仿真实验及最终的方案设定与实施,尾部烟道振动基本得到了治理。