Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler
We analyze statistical data on the damages of convective heat transfer surfaces of boilers of Ukrainian thermal power plants for recent years. A model of the turbulent flow of a two-phase mixture about heat transfer surfaces has been developed, and numerical investigations of the process of flow of...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/333 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Institution
System Research in Energy| _version_ | 1871103582589157376 |
|---|---|
| author | Shraiber O.A. Yatsenko V.P. |
| author_facet | Shraiber O.A. Yatsenko V.P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Shraiber O.A.",
"institution": null
},
{
"author": "Yatsenko V.P.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Shraiber O.A. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:37Z |
| description | We analyze statistical data on the damages of convective heat transfer surfaces of boilers of Ukrainian thermal power plants for recent years. A model of the turbulent flow of a two-phase mixture about heat transfer surfaces has been developed, and numerical investigations of the process of flow of flue gases with ash particles about a chess tube bundle and its erosion have been carried out. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:01:28Z |
| format | Article |
| fulltext |
ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • 17/2008www.ienergy.kiev.ua 37
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
Основным источником отказов и аварий на
тепловых электростанциях (ТЭС) в отечествен -
ной и мировой практике являются повреждения
теплообменных поверхностей (ТП) паровых кот -
лов. Анализ статистических данных об аварий -
ности на объектах электроэнергетики Украины
[1-3] свидетельствует о частой повреждаемости
этих поверхностей. Например, в 1994 году удель-
ная повреждаемость Пу теплообменных поверх-
ностей котлов блоков 300 МВт составляла 2,9, а в
2004-м – 2,4. Заметим, что по данным [4], в
1991–1998 гг. в России для котлов мощностью
300 МВт эта величина изменялась в пределах
1,05÷1,63 повреждений в год, а в США на пыле-
угольных блоках аналогичной мощности соста-
вляла 5,26.
Нарушения в работе ТП происходили по
эксплуатационным и внеэксплуатационным
при-чинам. К первым относятся: золовой износ,
электрохимическая и высокотемпературная
коррозия поверхностей, исчерпание их ресурса,
перегревание труб. Внеэксплуатационные нару -
ше ния в работе ТЭС вызваны металлурги -
ческими и технологическими дефектами метал-
ла труб, некачественным заводским изготовле-
нием ТП и их несвоевременным ремонтом.
Среди перечисленных факторов эрозионное
изнашива ние случается достаточно часто. По
данным [1-3], на отдельных блоках его доля
достигала 60% и более. Приведенные выше срав-
нительно невы сокие значения Пу в российской
энергетике объясняются тем, что в качестве
основного топ ли ва на многих ТЭС России
используется газ, благодаря чему эрозионное
изнашивание поверхностей существенно умень-
шается.
Для прогнозирования изнашивания нужны
соответствующие математические модели. Они в
комплексе должны учитывать текущее состояние
поверхностей, особенности аэродинамики котла,
влияние тех или других факторов на движение
частиц золы. В работе [5] предложен метод
прогнозирования эрозионного износа одиночной
трубы при потенциальном обтекании ее двухфаз-
ным потоком. Ниже рассматривается более
общий случай – моделирование обтекания пучка
труб турбулентным потоком.
Модель обтекания цилиндрической поверх-
ности двухфазным потоком. При моде -
лировании обтекания теплообменных поверх -
ностей двухфазным потоком возникают две
самостоятельные задачи: 1) нахождение пара -
метров газа; 2) определение характеристик
движения частиц. Первая задача существенно
упрощается при небольших концентрациях
частиц – в этом случае их присутствие не влияет
на параметры течения несущей среды (такой
подход используется в данной работе).
Рассмотрим поперечное обтекание цилинд -
рической трубы потоком дымовых газов. Примем
для определенности, что поток движется вниз.
Течение будем считать стационарным и двухмер-
ным, учитывая малость эффектов, связанных с
конечностью длины трубы. Начало декартовой
системы координат поместим на оси цилиндра и
ось х направим вниз (рис. 1). Здесь U , T –
скорость и температура газа на бес -
конечности; ϕ – угол между осью и радиус-век -
тором r, проходящим через точку столкновения
золовой частицы с трубой (векторные величины
выделены жирным шрифтом).
МОДЕЛИРОВАНИЕ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА КОНВЕКТИВНЫХ
ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОТЛА
УДК 621.182.42:532.529
А.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, В.П. ЯЦЕНКО, канд. техн. наук (Институт общей энергетики
НАН Украины, Киев)
Проанализированы статистические данные относительно повреждений теплообменных поверхностей котлоагрегатов
украинских тепловых электростанций за последние годы. Разработана модель турбулентного обтекания тепло -
обменных поверхностей двухфазным потоком. Проведены численные исследования процесса обтекания дымовыми
газами с частицами золы шахматного пакета труб и эрозии их поверхностей.
Рис. 1. Схема обтекания
Запишем уравнения сохранения массы,
импульса и энергии газового потока:
где i, j = 1, 2 – индексы, которые определяют оси
координат; ui, uj – составляющие скорости газа в
направлении соответствующих осей (U=(u21 +
+ u22)
0,5); ρ, р – плотность и давление газа; Т, с, λ –
его температура, теплоемкость и теплопро -
водность; τ – тензор вязких напряжений; F –
массовые силы (имеется в виду суммирование по
повторяющимся индексам).
Для вычисления корреляций пульсационных
скоростей (рейнольдсовых напряжений), кото -
рые неявно фигурируют в системе (1)–(3), ис -
пользуем гипотезу Буссинеска, а коэффициент
турбу лентной вязкости газа будем находить на
основе k-ε модели:
где k, ε – кинетическая энергия турбулентных
пульсаций и скорость ее диссипации; сµ – эмпи-
рический коэффициент.
Уравнения для энергии турбулентности и ее
диссипации имеют вид:
где σk, σε, сε1, сε2 – эмпирические коэффициенты;
генерация турбулентной
энергии за счет осредненного
движения. Значения констант в уравнениях зависят
от модели турбулентности. Для стандартной k-ε
модели в соответствии с [6] эти константы имеют
такие значения: σk=1,0, σε =1,3, сε1=1,44, сε2=1,92 и
сµ=0,09.
Остановимся на результатах моделирования
движения частиц. Отметим следующее. В подав -
ляющем большинстве работ по этой проблема -
тике учитываются один или два механизма сило -
вого влияния (силы аэродинамического сопро -
тивления fa и тяжести fg) и не проводятся оценки
допустимости пренебрежения другими. Однако
на практике на частицы действует ряд допол -
нительных силовых факторов как турбулентной,
так и нетурбулентной природы, пренебрегать
которыми без соответствующих оценок нельзя.
При определенных условиях важную роль могут
играть силы Магнуса fМ, Сафмена fS, термофореза
fт, а также турбу лентный характер движения
несущей среды (силы турбулентной миграции
fтм). По методике [7] были выполнены оценки
отношения макси мальных значений этих сило-
вых факторов к силе аэродинамического сопро-
тивления примени тельно к условиям обтекания
дымовыми газами теплообменных поверхностей.
Считалось, что та или другая сила существенна,
если величина этого отношения превышает 10%.
Анализ резуль татов показал, что силы Сафмена и
турбофореза в данных условиях несущественны.
Величина fМ/fа > 0,1 для частиц размером δ >
20÷30 мкм, а fТ/fа > 0,1 лишь для частиц δ < 5÷7
мкм. Поскольку на практике зола содержит части-
цы указанных размеров, то при моделировании их
дви жения, кроме fа и fg, будем учитывать силы
Маг ну са и термофореза. Тогда нисходящее дви -
же ние частиц при обтекании горизонтального
цилиндра описывается лагран жевыми уравне-
ниями
где m – масса частицы; uр, vр – продольная и попе-
речная составляющие ее скорости Vр.
Уравнения для интенсивности эрозионного
изнашивания запишем аналогично [5]. При
столкновении частиц с трубой они удаляют из ее
поверхности некоторое количество материала
объемом V = nV0, где n – число столкновений,
V0 – объем, который эродируется одной частицей.
Теплообменное оборудование котельных
агре гатов, в частности трубы экономайзеров,
изготавливаются из относительно пластичной
стали. Для таких материалов объем эродируемо -
го металла V0 может быть вычислен по зави си -
мос тям, приведенным в [8]. Тогда скорость
эрозии составит
38 ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • 17/2008www.ienergy.kiev.ua
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
(1)
(2)
(3)
(4)
(7)
(6)
(5)
(8)
(9)
где σ – предел текучести металла; α – угол атаки
(угол между касательной к поверхности в точке
удара и направлением движения частицы).
Результаты расчетов и их обсуждение. Рас -
че ты выполнялись применительно к услови ям
обтекания экономайзерного пучка, схемати чески
представленного на рис. 2, при = 6,7 м/с; D =
=0,032 м; Т = 873 К; Тw = 520 К. Здесь: D – диа -
метр трубы; Тw – ее температура; s1, s2 – попе -
речный и продольный шаги; L – расстояние от
задней стенки котла до пакета; N – количество
рядов. Сначала вычислялись параметры газового
потока при нисходящем обтекании им тестового
шахматного пакета, состоящего из десяти рядов
труб в продольном и поперечном (вправо от
задней стенки котла) направлениях. Считалось,
что такого количества расчетных поверхностей
достаточно для моделирования характеристик
обтекания экономайзерного пакета в целом.
Далее из тестового пакета выбиралась та или
иная теплообменная поверхность. Для нее зада -
вались размеры расчетной области и строилась
расчетная сетка. По данным вычислений харак -
теристик газового потока в центрах ячеек сетки
задавались значения Ug, Tg. Частицы одного раз -
ме ра "стартовали" в определенных точках вход -
ного сечения расчетной области. Для опреде -
ленности было выбрано 10 точек, равномерно
расположенных вдоль этого сечения. Принято,
что эти частицы имеют начальные скорости uр =
ux, vр = uy и температуру Тр = Т. В расчетах вычис -
лялись координаты, температуры, поступатель -
ные и угловые скорости частиц.
Некоторые результаты расчетов приведены
на рис. 3 (а, б – первый ряд труб, в – второй).
Здесь X = x/D, Y = y/D. Данные рис. 3а получены
при обтекании ТП потенциальным потоком,
характеристики которого вычислялись в соответ-
ствии с [9] (вариант А). Другие траектории
построены для варианта Б, в котором параметры
газового потока рассчитывались решением систе-
мы (1) – (6).
Из сравнения траекторий рис. 3а и 3б выте -
кает, что расчеты с использованием потенциаль -
ной модели занижают величину коэффициента
осаждения η. Кроме того, потенциальная модель
дает меньшие скорости частиц в
момент их взаимодействия с трубой. Укажем, что
истирание поверхностей абразивными части -
цами пропорционально величинам η и Vnp, n ≈ 2÷3.
Таким образом, интенсивность изнашивания
поверхностей в варианте А будет меньшей, чем в
варианте Б. При учете в уравнениях движения
(7), (8) всех силовых факторов траектории
частиц смещаются в направлении оси потока. В
конечном итоге это также приводит к возраста -
нию η и интенсивности изнашивания.
Коэффициенты осаждения частиц на трубы
первого и второго рядов при параметрах потока,
вычисленных решением (1)–(6), почти одина -
ковы (см. рис. 3б и 3в). Но скорости частиц в
момент их взаимодействия с этими трубами
отличаются существенно. В приведенном приме -
ре при столкновении золы с трубой второго ряда
они в 1,4-1,5 раза больше. Таким образом, трубы
этого ряда будут изнашиваться интенсивнее труб
первого ряда, что и наблюдается на практике.
Значения скоростей частиц в момент их взаи-
модействия с теплообменными поверхнос тями
разных рядов приведены в табл. 1, где M – номер
точки старта, отсчитываемый от оси трубы; l –
номер ряда.
Моделювання абразивного зношування конвективних теплообмінних
поверхонь котла • Шрайбер О.А., Яценко В.П. 39
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
Рис. 2. Схема пакета
Рис. 3. Траектории частиц
По мере продвижения в глубину пакета ха -
рактер обтекания теплообменных поверх нос тей
изменяется. Траектории частиц искривляются в
направлении продольной оси обтекаемой по -
верх ности. Это связано с тем, что поле течения
вокруг труб пакета, расположенных дальше
второго ряда, формируется под влиянием труб
предшест вующих рядов. Скорости частиц при
столкнове нии с трубами глубинных рядов мень-
ше, чем при взаимо действии с ТП второго ряда
(табл. 1). Поэтому интенсивность изнашивания
труб в рядах с N > 2 будет меньше, чем труб
второго ряда, что также подт вер ждается на
практике.
На рис. 4 приведены результаты расчетов
зависимости объема материала, который удаля-
ется частицами золы из поверхности трубы от
угла атаки.
Видно, что с возрастанием диаметра частиц
максимальные значения объема V0max возрастают,
а величина угла, при котором наблюдается V0max,
остается неизменной.
Полученные в этих расчетах данные использо-
вались при вычислении интенсивности эрозии по
уравнениям (9). Анализ результатов расчетов
показал, что зависимость h(ϕ) имеет немонотон-
ный характер. С увеличением ϕ вели чина h возра-
стает, при определенных ϕ прини мает макси-
мальное значение и в дальнейшем уменьшается. В
итоге локальное изна ши вание трубы будет
различным в разных точках вза имо действия
частиц с ее поверхностью. По резуль татам расче-
тов интенсивности эрозии, вызванной каждой
фракцией, для заданного фракционного состава
золы можно получить итоговую зависи мость
изнашивания тепло обменной поверхности от
угла ϕ. Анализ полу чен ных данных показывает,
что максимальная интенсивность эрозии имеет
место при углах ϕ = 42 ÷ 58°, что соответствует
эксплуатационным результатам.
Таким образом, разработанная модель обтека -
ния цилиндрических поверхностей позволяет в
целом правильно прогнозировать изнашивание
конвективных теплообменных поверхностей
пылеугольных котлоагрегатов.
40 ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • 17/2008www.ienergy.kiev.ua
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
М
l
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 4,38 4,20 4,09 4,14 4,27 4,60 – – – –
1 4,26 4,60 4,92 5,12 5,45 5,82 6,11 – – –
2 6,40 6,80 7,20 7,37 7,77 8,14 8,53 – – –
6 4,74 4,54 4,35 4,50 4,80 5,22 5,78 6,36 6,94 7,32
Таблица 1. Скорости частиц, м/с
Рис. 4. Зависимость V0(α): 1 – δ = 20 мкм;
2 – δ= 40 мкм; 3 – δ= 60 мкм; 4 – δ= 100 мкм
1. Аварiйнiсть на енергопiдприємствах Мiненерго України у 1994 роцi. Огляд. – К.: Мiненерго України, 1995. – 93 с.
2. Аварiйнiсть на об’єктах електроенергетики України у 2004 роцi. ГIД 34. 08. 557. – 2004. – К.: Мiнпаливенерго України,
2005. – 195 с.
3. Огляд технологiчних порушень в електроенергетицi України за четвертий квартал 2005 року. ГIД 34. 08. 558. – 2006. –
К.: Мiнпаливенерго України, 2006. – 54 с.
4. Штромберг Ю.Ю., Понасечкин С.А., Копсов А.Я. Повреждаемость теплоэнергетических блоков мощностью 300 МВт //
Электрические станции. – 2000. – № 3. – С. 16–18.
5. Яценко В.П. Прогнозування ерозiйного зношування теплообмiнних поверхонь котельного устаткування // Проблеми
загальної енергетики. – 2006. – № 13. – С. 81–85.
6. Bray K.N.C. Turbulent flows with premixed reactants in turbulent reacting media// Topics in Applied Physics. – Vol. 44. – New
York: Springer, 1980.
7. Шрайбер А.А., Гавин Л.Б., Наумов В.А., Яценко В.П. Турбулентные течения газовзвеси. – К.: Наукова думка, 1987. – 240
с.
8. Finnie I. Erosion of surfaces by solid particles // Wear. – 1960. – Vol. 3. – P. 87–103.
9. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.: Наука, 1987. – 840 с.
|
| id | systemreorg-article-333 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:10:30Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/02/09154888d9f6e5027e0e09717bc7d302.pdf |
| spelling | systemreorg-article-3332026-07-18T12:57:37Z Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler Моделювання абразивного зношування конвективних теплообмінних поверхонь котла Shraiber O.A. Yatsenko V.P. heat transfer surfaces, ash particles, flow about, wear. теплообмінні поверхні, частинки золи, обтікання, зношування. We analyze statistical data on the damages of convective heat transfer surfaces of boilers of Ukrainian thermal power plants for recent years. A model of the turbulent flow of a two-phase mixture about heat transfer surfaces has been developed, and numerical investigations of the process of flow of flue gases with ash particles about a chess tube bundle and its erosion have been carried out. Проаналізовано статистичні дані пошкоджень теплообмінних поверхонь котлоагрегатів українських ТЕС за останні роки. Розроблено модель турбулентного обтікання теплообмінних поверхонь двофазовим потоком. Проведено числові дослідження процесу обтікання димовими газами з частинками золи шахового пакета труб та ерозії їх поверхонь. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2008-06-06 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/333 System Research in Energy; No. 1 (17) (2008): The Problems of General Energy; 37-40 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (17) (2008): Проблеми загальної енергетики; 37-40 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/333/280 Copyright (c) 2008 Shraiber O.A., Yatsenko V.P. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | heat transfer surfaces ash particles flow about wear. Shraiber O.A. Yatsenko V.P. Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler |
| title | Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler |
| title_alt | Моделювання абразивного зношування конвективних теплообмінних поверхонь котла |
| title_full | Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler |
| title_fullStr | Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler |
| title_full_unstemmed | Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler |
| title_short | Modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler |
| title_sort | modeling of the abrasive wear of convective heat transfer surfaces of a boiler |
| topic | heat transfer surfaces ash particles flow about wear. |
| topic_facet | heat transfer surfaces ash particles flow about wear. теплообмінні поверхні частинки золи обтікання зношування. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/333 |
| work_keys_str_mv | AT shraiberoa modelingoftheabrasivewearofconvectiveheattransfersurfacesofaboiler AT yatsenkovp modelingoftheabrasivewearofconvectiveheattransfersurfacesofaboiler AT shraiberoa modelûvannâabrazivnogoznošuvannâkonvektivnihteploobmínnihpoverhonʹkotla AT yatsenkovp modelûvannâabrazivnogoznošuvannâkonvektivnihteploobmínnihpoverhonʹkotla |