错列式省煤器灰垢沉积的多工况数值模拟与传热特性研究

针对电站锅炉省煤器因灰垢污染导致管束传热效率下降的问题，研究人员采用离散相模型(DPM)结合用户自定义函数(UDF)，通过构建五排错列管束换热器，探究了不同气固参数与管间距结构下的飞灰沉积行为。结果表明：增大横向间距、减小纵向间距可优化沉积分布，烟气流量与粒径的调控对灰垢控制与传热强化具有显著影响，为锅炉安全运行提供了理论依据。

　　

论文解读

在传统电站锅炉中，省煤器作为低温段烟气末端的关键受热面，其传热效率直接影响锅炉运行的经济性与安全性。然而，煤粉燃烧产生的飞灰颗粒随烟气流动时，会在省煤器管束表面碰撞沉积，形成灰垢层。研究表明，仅几毫米厚的灰垢即可使传热系数降低25%，严重时甚至引发爆管事故——统计显示，锅炉“四管”泄漏事故中超40%源于省煤器管束。这一现象背后，是飞灰颗粒在复杂气固耦合作用下的动态沉积行为，涉及烟气流量、颗粒粒径、管束几何参数等多因素交织影响。

为破解这一难题，辽宁高校的研究团队在《Powder Technology》发表研究，通过耦合流体力学、颗粒输运与传热模型，构建了五排错列管束的三维数值模型。研究采用离散相模型(DPM)追踪颗粒轨迹，结合用户自定义函数(UDF)修正温度场对颗粒的微调控作用，系统分析了不同工况下的沉积特性与传热性能。

数值模型与物理构建

研究基于ANSYS Fluent平台，采用Lagrange随机轨道模型模拟飞灰颗粒（体积分数<10%），将烟气视为连续相求解Navier-Stokes方程。管束模型依据工程实际简化，通过对称性分析选取五排错列结构，并设置周期性边界条件以提升计算效率。

关键发现

1. 颗粒粒径效应：5?μm小颗粒因斯托克斯数(Stk)低易受流体束缚，沉积均匀但效率低；而50?μm大颗粒惯性作用显著，在管束迎风面形成局部高沉积区。
2. 烟气流量调控：流速增加会抑制大颗粒沉积（惯性分离减弱），但促进小颗粒沉积（湍流扩散增强）。
3. 管间距优化：横向间距(S_T
   /D)增大可降低整体沉积率12.7%，而纵向间距(S_L
   /D)减小能强化下游管束扰动，使热通量提升18.3%。

结论与意义

该研究揭示了错列管束中飞灰沉积的“粒径-流速-几何”协同调控机制，提出横向间距优先调整的工程优化策略。成果不仅为锅炉设计提供了量化依据，其耦合DPM-UDF的方法框架还可拓展至其他气固传热设备的污染防控研究，对保障能源设备安全运行具有重要实践价值。