堵渣狀態(tài)對壓縮空氣吹渣系統(tǒng)的影響分析

李凱，章平衡，龔俊，王魯生，馮園中

（新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016）

1 前言

受生物質(zhì)燃料收集與儲存條件的限制，進入爐膛燃燒的燃料中通常包含大量異物（泥沙、石塊及鐵塊等），這些異物往往難以燃燒造成落渣管發(fā)生堵塞。落渣管發(fā)生堵塞時，鍋爐冷渣器排渣能力遭到破壞，需要檢修人員進行人工疏通。作業(yè)過程中，高溫的爐渣對作業(yè)人員存在重大安全隱患；與此同時，直接排除的爐渣將帶走大量熱量造成熱量損失；彌散的灰渣顆粒又會造成環(huán)境的污染。堵渣嚴重時還可能撕裂與其相連的水冷壁，致使非計劃停爐。生物質(zhì)鍋爐落渣管堵塞已經(jīng)成為影響電廠經(jīng)濟效益的嚴峻問題，迫切需要有效的技術手段予以解決。

空氣被壓縮后具有很高的壓力，釋放泄壓時將產(chǎn)生強大的沖擊力，能夠有效吹走落渣管內(nèi)堵塞的灰渣。壓縮空氣吹渣系統(tǒng)的使用將大大減少人工清渣次數(shù)，同時保證了檢修人員的人身安全。因此，空氣炮技術在清堵吹灰領域得到了廣泛的應用。卜祝龍等通過試驗驗證了空氣炮的清堵效果，并測試了0.4～0.7MPa充氣壓力下空氣炮的爆破參數(shù)。其中，空氣炮的壓力最大值隨著充氣壓力的升高而增大，但沖量比值在0.6MPa時達到最大。蘇紅星等在研究原始空氣炮設計方案的基礎上對空氣炮進行了優(yōu)化，通過增加炮管長度可以有效降低單次發(fā)射所需的氣體質(zhì)量，從而降低發(fā)射成本，并提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。朱建安等同樣開展了不同充氣壓力下噴爆過程的試驗研究，根據(jù)采集的空氣炮沖擊力數(shù)據(jù)，得出了空氣炮噴爆達到最大沖量時的充氣參數(shù)?？諝馀诘膰姳瑺顟B(tài)在充氣壓力為0.6MPa時較為理想，能夠得到較好的清堵效果。田穎的分析中指出，空氣炮的工作壓力不宜低于0.4MPa，否則將出現(xiàn)啞炮現(xiàn)象。同時，噴管的安裝角度與水平線的夾角不得小于15°，安裝位置應距離倉口1～1.5m以上。金永飛等采用Fluent軟件對初始壓力0.4～0.8MPa下空氣炮對煤倉清堵過程進行了數(shù)值模擬。通過不同時刻壓力及速度云圖的分析得出，0～5ms為起爆階段，速度急劇增大；5～7ms為噴爆階段，壓縮空氣與堵塞物發(fā)生動量交換，清除堵塞物；7ms以后為泄爆階段，系統(tǒng)與外界趨于平衡。初始壓力越高，空氣炮產(chǎn)生的沖擊力越大；因此當初始壓力為0.8MPa時，清堵效果最佳。

目前的研究主要集中于壓縮空氣吹渣能力的驗證以及壓縮空氣初始壓力與炮管尺寸等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響；而關于堵渣狀態(tài)，即堵渣位置及堵渣程度，對系統(tǒng)性能影響規(guī)律的研究并未深入開展。因此，通過數(shù)值模擬的手段分析了堵渣狀態(tài)對壓縮空氣吹渣系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為其工程應用提供理論指導。

2 吹渣系統(tǒng)

熱電氣聯(lián)產(chǎn)機組中，使用汽輪機排汽帶動空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣供用戶使用。因此，可從壓縮空氣供給管路中接出分路用于落渣管的吹渣?；谏鲜鏊悸?，設計了新型落渣管吹渣系統(tǒng)，其具有節(jié)約成本、簡化系統(tǒng)以及安全運行的特點。

在熱電氣聯(lián)產(chǎn)機組中，鍋爐加熱給水產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽帶動汽輪機發(fā)電；汽輪機排汽的一部分直接通過供熱管道提供給客戶，另一部分帶動空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣供用戶使用。帶有較高壓力的壓縮空氣可作為吹渣過程的氣源，因此從壓縮空氣供氣母管引出一路接至高壓儲氣罐。高溫灰渣在落渣管內(nèi)發(fā)生堵塞時，開啟儲氣罐出口的電動球閥使壓縮空氣通入落渣管內(nèi)。此時，關閉落渣管底部的電動閘閥，防止壓力的損失以及對下游冷渣機的損傷。壓縮空氣產(chǎn)生強大的沖擊可使堵塞的灰渣被吹走，進而落渣管得到疏通?；跓犭姎饴?lián)產(chǎn)機組的壓縮空氣吹渣系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于熱電氣聯(lián)產(chǎn)機組的壓縮空氣吹渣系統(tǒng)

3 計算模型與數(shù)值方法

選取高壓儲氣罐至落渣管段進行數(shù)值模擬，壓縮空氣通過管道進入落渣管的流動過程采用ANSYS FLUENT 17.2進行瞬態(tài)模擬。采用GAMBIT軟件對圖2所示的計算域進行網(wǎng)格劃分。其中，高壓儲氣罐與落渣管的連接管采用直徑70mm的鋼管，壓縮空氣初始壓力為0.5MPa，落渣管直徑為259mm。為研究堵渣狀態(tài)對壓縮空氣吹渣系統(tǒng)的影響，分別分析了0.4～2m堵渣位置以及20%～100%堵渣程度條件下的吹渣性能。具體系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖2 計算區(qū)域示意圖

表1 壓縮空氣吹渣系統(tǒng)參數(shù)

啟用因適量計算負荷而廣泛應用于工程計算的標準k-ε湍流模型與標準壁面函數(shù)?？諝舛x為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；通過Patch功能設置壓縮空氣的初始壓力。假設落渣管頂部出現(xiàn)堵渣，出口定義為壁面。假設空氣膨脹過程為絕熱過程，因此壁面條件采用絕熱壁面。壓力-速度耦合采用 SIMPLE 算法。除了k-ε湍流方程采用一階迎風格式，其余控制方程的空間離散均采用二階迎風格式。

以文獻中[9]的空氣炮噴射試驗數(shù)據(jù)進行模型驗證，其中空氣炮高壓體積室體積為100L，炮管直徑為78mm，炮管長度為800mm。高壓空氣室的初始壓力為0.9MPa，空氣炮發(fā)射后，在其9m處開始布置風速測點，間隔為0.2m。空氣流速的計算結果與試驗測量值的對比如圖3所示。相應測點的射流速度與計算值基本吻合，平均誤差為8.6%；最大誤差發(fā)生在9.8m處，誤差為12.5%。由此認為，本文采用的數(shù)值模擬方法具有較好的準確性。

圖3 數(shù)值模擬結果與實驗關聯(lián)式結果對比

4 計算結果與分析

4.1 堵渣位置的影響

在落渣過程中，大量異物將造成落渣管的堵塞，影響冷渣器的順利排渣。此時，開啟壓縮空氣吹渣系統(tǒng)出口閥門，帶有初始壓力的壓縮空氣進入落渣管內(nèi)。圖4為不同堵渣位置時的最大吹渣壓強。由圖可知，隨著堵塞位置的升高，最大吹渣壓強逐漸下降。當堵塞位置為0.4m處時，最大吹渣壓強為422125Pa（4.2MPa）；而堵塞位置為2.0m處時，最大吹渣壓強下降至238231Pa（2.4MPa）。其中，堵渣位置起點為落渣管底部，以此確定堵渣高度。本文條件下，堵渣位置的差異可使最大吹渣壓強降低約42.9%。

圖4 不同堵渣位置下的最大吹渣壓強

圖5為不同堵渣位置下落渣管內(nèi)的速度分布。根據(jù)該圖可知，堵渣位置越高，落渣管內(nèi)壓縮空氣向上流動的速度越快。而當壓縮空氣遇到上方的堵渣塊時，流速逐漸降低。隨著堵渣位置的升高，壓縮空氣的膨脹空間越大，因此其流動速度越快。堵渣位置越高，壓縮空氣將以更高的速度流過更長的路程?；谏鲜銮闆r，堵渣位置越高，壓縮空氣的阻力損失越大。這就是最大吹渣壓強隨堵塞位置升高而下降的主要原因。

圖5 不同堵渣位置下落渣管內(nèi)速度分布

4.2 堵渣程度的影響

堵渣發(fā)生時，形成的堵渣塊并不一定完全堵塞落渣管，而是會呈現(xiàn)出不同堵渣程度。本文選取20%、40%、60%、80%以及100%落渣管截面堵塞程度進行對比研究，以此分析堵渣程度的影響規(guī)律。圖6所示為不同堵渣程度下的最大吹渣壓強。由圖6可知，隨著堵渣程度的增加，最大吹渣壓強快速升高。當堵塞程度為20%時，最大吹渣壓強僅為6252Pa（0.06MPa）；而堵塞程度為100%時，最大吹渣壓強快速增加至299640Pa（2.96MPa）。相差相比，最大吹渣壓強增大了約47.9倍。這說明在低堵塞程度下，壓縮空氣吹渣作用很弱；壓縮空氣吹渣系統(tǒng)適用于落渣管完全堵塞的工況。

圖6 不同堵渣程度下的最大吹渣壓強

圖7 為不同堵渣程度下落渣管內(nèi)速度分布。從圖中可得，堵渣程度較小時，大部分壓縮空氣可以順利通過堵渣截面，小部分壓縮空氣被堵渣塊阻擋形成吹渣壓強。隨著堵渣程度增加，阻擋壓縮空氣的作用區(qū)域越來越大，流通區(qū)域越來越小。因此，壓縮空氣流過堵渣截面時的流速隨著堵渣程度的增加而越來越快。與此同時，阻擋區(qū)域的增大，使得大部分壓縮空氣受到阻礙，堵渣截面下壓縮空氣方流速隨著堵渣程度的增加而逐漸降低。也正是如此，堵渣程度越大，堵渣快對壓縮空氣的阻擋作用越強，壓縮空氣的動壓轉化為對堵渣塊的吹渣靜壓強，最大吹渣壓強隨之快速提升。

圖7 不同堵渣程度下落渣管內(nèi)速度分布

5 結語

通過數(shù)值模擬的手段總結了堵渣位置及堵渣程度對壓縮空氣吹渣系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，分析影響規(guī)律的形成機理，探討了壓縮空氣吹渣系統(tǒng)適用性，所得結論如下：

（1）隨著堵塞位置的升高，最大吹渣壓強逐漸下降。本文條件下，堵渣位置的差異可使最大吹渣壓強降低約42.9%。

（2）隨著堵渣程度的增加，最大吹渣壓強快速升高。100%堵渣程度下，最大吹渣壓強為20%堵渣程度時的47.9倍。

（3）低堵塞程度下，壓縮空氣吹渣作用很弱，因此壓縮空氣吹渣系統(tǒng)不適用于落渣管部分堵塞的情況。