一种气-固两相流耐磨输送管道的制作方法

1.本实用新型属于锅炉技术领域，具体涉及一种气-固两相流耐磨输送管道。


背景技术：

2.由于煤炭资源品质优良不一，一般大部分火力发电厂会使用劣质煤种，或是混合煤种进行燃烧，这样会使燃烧后的烟气中含有大量的飞灰和部分未完全燃烧煤粉颗粒，飞灰颗粒会不断撞击锅炉后烟道，造成烟道变薄，烟道破损等问题，不利于设备长期、稳定、安全运行。
3.在燃煤电厂的烟道及煤粉管道中，布置有大量的弯头部件，高流速的烟气-飞灰两相流在经过弯头时会造成严重的阻力损失和壁面冲蚀磨损，严重影响电厂的安全可靠和经济运行，降低弯头磨损程度迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于降低弯头弯曲段颗粒冲蚀磨损问题，提供了一种气-固两相流耐磨输送管道，本实用新型在管道中加装分形导流格栅以及导流板，能够在较小阻塞比下，有效降低弯头弯曲段平均磨损程度，提高弯头运行可靠性。
5.为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种气-固两相流耐磨输送管道，包括竖直管道、分形导流格栅、斜接弯头和水平管道，竖直管道的上端与水平管道的一端之间通过斜接弯头连接，分形导流格栅设置于竖直管道中并位于斜接弯头的上风向，斜接弯头内设置有导流板。
7.优选的，所述分形导流格栅的周向上均布有若干分支，每个分支包括若干层枝杈；每个分支中的第一层枝杈沿分形导流格栅的径向延伸，第一层枝杈的一端位于分形导流格栅的中心，第一层枝杈的另一端分出两个下一层枝杈，之后的每层枝杈均分出两个该层每层枝杈的下一层枝杈。
8.优选的，所述分形导流格栅的周向上均布有五个分支，每个分支包括三层枝杈，每个分支中的第二层两个枝杈的夹角为90
°±3°
，第三层的两个枝杈的夹角为60
°±3°
。
9.优选的，第一层枝杈的长度为1300mm
±
50mm，第二层两个枝杈的长度为1300mm
±
50mm，第三层的两个枝杈端部延伸至竖直管道的内表面。
10.优选的，分形导流格栅的厚度为100mm
±
10mm，第一层枝杈的宽度为100mm
±
10mm，第二层枝杈的宽度为73.59mm
±
7mm，第三层枝杈的宽度为50mm
±
5mm。
11.优选的，导流板安装在斜接弯头圆心角度30
°‑
90
°
范围内。
12.优选的，所述斜接弯头的形状为圆弧形，导流板采用圆弧形导流板，沿着斜接弯头的径向，等间距设置若干块导流板。
13.优选的，所述分形导流格栅布置于距竖直管道入口0.5-0.8d位置处，其中，d为竖直管道的内径。
14.与现有技术相比较，本实用新型具有以下有益效果：
15.本实用新型气-固两相流耐磨输送管道中，通过分形格栅和导流板结构能有效减低流体湍流动能，破坏近壁面低速流场区域，从而降低颗粒的集聚效应，有效降低弯管弯曲段磨损，并通过导流板结构，整流流场，提升弯头出口流场均匀度。分形栅格相较其他导流格栅的优势在于：拥有较低的流动阻塞比，其对整体的流动阻碍面积小，能达到优化效果；分形导流格栅所耗用材料小。在运行过程中，烟气流经分形格栅，流场经过整流及通过绕流结构，管道壁面附近颗粒浓度降低，降低弯头弯曲段最大磨损程度及平均磨损程度，相较未加装分形栅格的斜接弯头，平均磨损程度降低很多，提升了弯头使用寿命及可靠性。
附图说明
16.图1为本实用新型气-固两相流耐磨输送管道的结构布置图；
17.图2为本实用新型的分形导流格栅示意图；
18.图3为本实用新型的导流板安装示意图；
19.图4为本实用新型对比例中不同进口速度不同颗粒粒径情况下加装分形栅格与未加装分形栅格弯曲段平均磨损量对比规律；
20.图5为本实用新型实施例2中进口速度为7m/s颗粒粒径为25μm时加装分形栅格情况下斜接弯头对称面流线分布。
21.图中，1-竖直管道，2-分形导流格栅，2-1-第一层枝杈，2-2-第二层枝杈，2-3-第三层枝杈，3-斜接弯头，4-导流板，5-水平管道。
具体实施方式
22.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述，以下属于对本实用新型的解释和说明：
23.参考图1，图2和图3，本实用新型气-固两相流耐磨输送管道，包括竖直管道1、分形导流格栅2、斜接弯头3和水平管道5，竖直管道1的上端与水平管道5的一端之间通过斜接弯头3连接，分形导流格栅2设置于竖直管道1中并位于斜接弯头3的上风向，斜接弯头3内设置有导流板4。气-固两相流(如烟气-粉尘两相流)流动方向为从安装分形导流格栅2垂直侧流向水平侧。分形导流格栅2布置于距竖直管道1(直径d)入口0.5d位置处；导流板4安装在斜接弯头3中，安装在弯管中心角度30
°
至90
°
范围内。
24.分形导流格栅2安装在斜接弯头3入口段处，其中分形导流格栅2分形数为3，第一层分形分支数为5，第二层分形分支数为2，第三层分形分支数为2；分形导流格栅2厚度为100mm
±
10mm，第一层分形宽度为100mm
±
10mm，第二层分形宽度为70.71mm
±
7mm，第三层分形宽度为50mm
±
5mm；第一层分形间隔角度为72
°
，第二层分形为90
°
，第三层分形间隔角度为60
°
，第一层分形长度1300mm，第二层分形长度1300mm，第三层分形长度根据横截面直径确定。第一级分叉角90
°
，第二级分叉角60
°
，使二级分支分布在外壁上。分形导流格栅2具体结构进一步解释如下：如图2所示，分形导流格栅2的整体形状从中心向四周呈放射状，分形导流格栅2的周向上均布有若干分支，每个分支包括若干层枝杈；每个分支中的第一层枝杈沿分形导流格栅2的径向延伸，第一层枝杈的一端位于分形导流格栅2的中心，第一层枝杈的另一端分出两个下一层枝杈，之后的每层枝杈均分出两个该层每层枝杈的下一层枝杈。本实用新型中，可采用5个分支，因此相邻第一层枝杈之间的夹角为72
°
，每个分支采用3层
枝杈的结构，每个分支中的第二层两个枝杈的夹角为90
°±3°
，第三层的两个枝杈的夹角为60
°±3°
。根据本领域常用尺寸的一些烟气-粉尘两相流管道，第一层枝杈的长度为1300mm
±
50mm，第二层两个枝杈的长度为1300mm
±
50mm，第三层的两个枝杈端部延伸至竖直管道1的内表面，这种接结构的分形导流格栅2可以满足使用要求。分形导流格栅2的厚度为100mm
±
10mm，第一层枝杈的宽度为100mm
±
10mm，第二层枝杈的宽度为73.59mm
±
7mm，第三层枝杈的宽度为50mm
±
5mm。如图1和图3所示。在斜接弯头3内均布三块导流板，导流板厚度不小于8mm，导流板中心角度为60
°
，起始角度为30
°
，终止位置为90
°
。导流板4采用圆弧形导流板，沿着斜接弯头3的径向，根据一般的烟气-粉尘两相流管道，设置3块导流板4即可。
25.本实用新型能够有效降低近壁面附近颗粒浓度，减少颗粒对弯头弯曲段的冲蚀磨损，可有效延长弯头的使用寿命，提高弯头运行可靠性。
26.采用tulsa大学冲蚀与腐蚀研究中心提出的冲蚀磨损半经验方程计算壁面材料磨损率：
27.式中：
28.e为壁面材料的磨损率，单位
29.a为与靶材有关的常数，对碳钢而言，a＝217hb-0.59
×
10-9
(hb为材料的布氏硬度，碳钢为120n/mm2)；
30.fs为颗粒形状系数，对球体颗粒取0.2；
[0031]vp
为颗粒碰撞速度，m/s；
[0032]
n为速度指数，取2.41；
[0033]
f(γ)为撞击角函数，满足：
[0034]
f(γ)＝bγ2+cγ,γ≤γ
lim
[0035]
f(γ)＝xcos2γsin(ωγ)+ysin2(γ)+z,γ》γ
lim
[0036]
式中γ
lim
、b、c、x、ω、y、z是基于靶材的经验常数，对于碳钢，取值如表1所示。
[0037]
表1
[0038][0039]
为了准确计算颗粒对壁面的冲蚀磨损，需准确地求解颗粒撞击固体壁面边界后发生反弹所形成的轨迹和产生速度变化，法向和切向壁面恢复系数en和e
t
采用下列公式进行计算：
[0040]en
＝0.993-0.037θ+0.000475θ
2-2.61
×
10-6
θ3[0041]et
＝0.998-0.029θ+6.43
×
10-4
θ
2-3.56
×
10-6
θ3[0042]
实施例1
[0043]
本实施例气-固两相流耐磨输送管道，包括安装在竖直管道1中的分形导流格栅2，斜接弯头3，以及安装在斜接弯头中的导流板4，水平管道5，流动方向为从安装分形栅格垂
直侧流向水平侧。
[0044]
所述分形导流格栅2布置于距竖直管道1(直径d)入口0.5d位置处；导流板4安装在斜接弯头3中，安装在弯管中心角度30
°
至90
°
范围内，沿斜接弯头3的径向设置3块导流板4。
[0045]
斜接弯头3横截面直径d＝4808mm，弯曲段半径r＝4250mm，弯头上下游直管段(即竖直管道1和水平管道5)长度均为19232mm。
[0046]
分形格栅安装在斜接弯头入口段处，其中分形栅格分形数为3，第一层分形分支数为5，第二层分形分支数为2，第三层分形分支数为2；分形栅格厚度为100mm，第一层分形宽度为100mm，第二层分形宽度为70.71mm，第三层分形宽度为50mm；第一层分形间隔角度为72
°
，第二层分形为90
°
，第三层分形间隔角度为60
°
，第一层分形长度1300mm，第二层分形长度1300mm，第三层延伸至斜接弯头3的内内壁。第一级分叉角90
°
，第二级分叉角60
°
，使二级分支延伸至斜接弯头3的内壁上。
[0047]
在弯曲段均布三块导流板，导流板厚度为8mm，导流板中心角度为60
°
，起始角度为30
°
，终止位置为90
°
。
[0048]
其中，入口条件根据电力行业推荐的烟风煤粉系统设计及对燃煤机组锅炉飞灰颗粒特征的研究，选取流速为7m/s、15m/s、20m/s；质量流率为0.1kg/s；颗粒密度为ρ＝1500kg/m3；颗粒粒径选取25μm、50μm、75μm、100μm。
[0049]
对比例
[0050]
通过数值模拟方法建立试验模型，并通过试验模型对实施例1公开的加装分形栅格的斜接弯头与未加装分形栅格的斜接弯头进行降低磨损效果对比。
[0051]
(1)弯曲段平均磨损量对比测试，不同进口速度不同颗粒粒径弯曲段平均磨损量(e)测试值如表2
[0052]
表2
[0053]
[0054][0055]
如上述表2及图4所示的不同进口速度以及不同颗粒粒径下加装分形栅格的斜接弯头弯曲段平均磨损量对比未加装分形栅格时的平均磨损规律。随着进口速度提升，颗粒冲蚀壁面材料能量增大，弯头平均壁面磨损量增大；在不同进口速度及不同颗粒粒径情况下，未加装分形栅格磨损量均大于加装分形栅格情况磨损量；其在低流速(7m/s)细颗粒粒径(25μm)情况下，加装分形栅格降低斜接弯头壁面磨损效果最优，为31.85％。
[0056]
实施例2
[0057]
通过对比例的实验模型对实施例1的加装分形栅格弯头的流场特征分析，依据流体力学相关理论，可得出如下分析结果：
[0058]
如图5为进口速度7m/s、颗粒粒径25μm情况下，加装分形栅格情况下流场在对称面的流线分布。可以看出，流动在流经分形栅格后形成较强涡旋结构，破坏了原始流场，加强了颗粒随涡旋的运动，使颗粒集中在流场中心部分，减弱了颗粒在壁面低速区的集聚，从而可以减弱近壁面颗粒对弯头弯曲段的材料冲蚀。
[0059]
本实用新型通过安装在管道入口处的分形导流格栅2，对流体进行整流，破坏近管道壁面原始流场，加强了颗粒随涡旋的运动，使颗粒集中在流场中心部分，减弱了颗粒在壁面低速区的集聚，降低壁面附近含尘浓度。在运行过程中，由于分形栅格对流场的破坏，含尘流体经过弯头时，降低了颗粒对弯头处的冲蚀磨损，降低了弯头附近的磨损程度，提高弯头耐用性。