燃氣輪機排氣煙道內(nèi)部流場模擬與流動阻力分析

方 偉，梁松彬，任建興

(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院，上海 200009)

燃用天然氣和燃煤的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組已成為中國電力工業(yè)中的一個重要組成部分.2006年我國開始組裝9E機組，并在同年投入試運行.現(xiàn)在更大型的9FA機型也在國內(nèi)得到廣泛應用.

但是，在燃氣輪機的大型化過程中也出現(xiàn)了一些需要解決的技術問題，其中，作為連接燃氣輪機和余熱鍋爐的必不可少的組件，過渡煙道的金屬風道長期在高溫、高速、大流量的環(huán)境下，劇烈振動對風道的穩(wěn)定和壽命都有很大的不利影響.漏風會減少余熱鍋爐的有效熱利用率，降低機組的效率.因此，研究過渡煙道內(nèi)部流場與流場阻力顯得十分重要.

1 過渡煙道的結(jié)構(gòu)對流體速度均勻性的影響

過渡煙道的特殊位置決定了其特殊的結(jié)構(gòu)形式，圖1顯示的是過渡煙道的截面形狀.燃機排氣口與鍋爐受熱面尺寸相差較大，中間需要有過渡煙道相連.過渡煙道連接著燃氣輪機的出口，高溫高壓的煙氣，開始在漸擴段射流，在這里壓力和速度發(fā)生陡然變化.這種變化對高溫下風道的影響是不利的，會產(chǎn)生劇烈的振動和明顯的熱脹.高頻的振動對機組的可靠性影響較大.這些都是由于煙氣在各個方向上的速度梯度不均勻，造成了壓力梯度的不同引起的.因此，改變速度的不均勻性，對于減少振動也是有利的.

圖1 過渡煙道的截面形狀

隨著燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的大型化，燃氣輪機(燃機)排氣量不斷增加，如7EA級燃機排氣量約為292 kg/s，9E級燃機排氣量為418 kg/s，9F級燃機排氣量約為641 kg/s.隨著燃機排氣量的增加，余熱鍋爐的容量和體積也不斷增大［1］.對于燃氣輪機來說，由于受場地及費用限制，過渡段不可能很長;對余熱鍋爐來說，進入受熱面的煙氣流速越均勻越好.因此，如何使進入鍋爐的煙氣均勻，是設計大型燃機余熱鍋爐必須解決的問題.目前，已有很多公司和學術機構(gòu)對這一課題進行了數(shù)值計算及?；囼灒?］.GE公司在燃氣輪機的研發(fā)方面取得了很多成果，生產(chǎn)的功率為126 MW的9E和255.6 MW的9FA系列機大多用于聯(lián)合循環(huán)電站，主要是作為具有良好經(jīng)濟性、帶基本負荷和中間負荷的機組.

以排氣煙道為對象，建立數(shù)值模型來研究內(nèi)部煙氣的流動特性.對于特定的煙道，選用結(jié)構(gòu)型分割法進行網(wǎng)格劃分，分割得到210 000個左右分割體.煙風道中的流動一般是湍流流動，其詳細結(jié)構(gòu)的理論描述和計算都比較復雜，目前工程上都采用湍流模型的方法模擬湍流的整體特征.采用標準的k-ε模型模擬煙道中的湍流流動.假設煙風道中的煙氣流動為定常不可壓流動，可采用式(1)的通用控制方程來描述:

湍流動能k方程:

耗散率ε方程:

式中:C1=1.44，C2=1.92.

2 模擬結(jié)果分析

當過渡煙道上面板的仰角為37°時，可以看到底部的速度是22.6 m/s，頂部的速度只有1.74 m/s左右.流場的充滿度比較充足.如圖2所示.當上面板的角度增加到 45°時，模擬劃分為159 565個單元體.底部的速度為21.0 m/s，頂部的速度小于1.61 m/s.流場的充滿度減少.如圖3所示.

圖2 上面板角度37°對煙氣速度的影響

圖3 上面板角度45°對煙氣速度的影響

由圖3可知，當上面板的角度增加到45°時，煙道上部的煙氣流速變得更小，中部以下的煙氣流速比上部的煙氣流速大5 m/s以上，煙道內(nèi)部的煙氣流動很不均勻.初始段的均勻度很好，但是出口段截面的速度差別很大，對余熱鍋爐的管束傳熱不均勻.

為了得到均勻的流速，我們試圖在進口處增加兩塊導流板，其仰角分別為20°和10°，上面板的角度仍為45°，如圖4所示.

由圖4可以看到，增加了導流板后，煙道內(nèi)的流體均勻性有了很大的提高，但增加了煙道結(jié)構(gòu)的復雜性和煙道的阻力，這為長期的滿負荷運行帶來了安全隱患.

另外，在煙道進口處增加導流板后能有效改變整個煙道內(nèi)煙氣的速度場:煙道中部和下部的流速減小，中上部的煙氣流速得到了一些加強，整個煙道的出口截面的速度均勻度得到了改善.但這一結(jié)果是在增大煙道的局部阻力的前提下得到的，因而仍需作改進.

圖4 上面板角度為45°時增加的兩塊導流板對煙氣速度的影響

3 煙道局部阻力對煙氣流動的影響

雖然紊流中的瞬時值隨時間是無變化規(guī)律的，但其時均值卻是有變化規(guī)律的.時均值不隨時間改變的紊流流動被稱為準定常紊流［3］.

紊流流動中，管道流阻一般分為沿程阻力和局部阻力.由于粘性，各流層之間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻礙了流體的運動，為了克服這種內(nèi)摩擦阻力所損失的機械能被稱為沿程阻力損失或沿程損失.它是一種沿管道長度上的能量損失.另外，在管道系統(tǒng)中，由于管截面面積的突然變化、彎管流動，以及其他管路配件所產(chǎn)生的機械能損失，被稱為局部阻力損失或局部損失.它是由流體之間碰撞、摻混、渦流與流速變化引起的，這部分損失在燃氣輪機管道中是主要的，也是需要研究的重點.

在燃氣輪機進氣管道中，流程損失約占總損失的20%，彎管的損失約占進氣系統(tǒng)損失的2/3(它的損失一般都應由模型試驗確定).在工程設計中，異形件的阻力系數(shù)越準確，所導致的設計偏差就越小，從而可以減少建設投資和運行費用.林宗虎等通過對電廠煙風道異型件的阻力特性進行數(shù)值和實驗研究，提出部分常用異形件的阻力系數(shù)的工程計算模型和計算方法，為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組煙風道的設計提供了更加可靠的依據(jù)［4］.

4 局部阻力的計算方法

燃氣輪機的煙氣出口都是圓形的，因而連接燃氣輪機和余熱鍋爐的是天圓地方的突擴過渡煙道.這是一個特殊的管道，其阻力計算沒有現(xiàn)存的任何方法.煙風道阻力計算是火力發(fā)電廠設計的重要環(huán)節(jié)之一，其計算結(jié)果是設備選型、截面尺寸選擇，以及管道布置的依據(jù)，也關系到煙風系統(tǒng)的造價和運行的經(jīng)濟性.在常規(guī)的工程設計過程中，煙風管道阻力計算的主要依據(jù)是相關的設計規(guī)范和手冊，并根據(jù)管道的布置情況，通過查閱相應的設計圖表來完成的.現(xiàn)已逐步由原來的手工計算發(fā)展成為部分或完全由計算機計算，這樣既提高了工作效率和計算的準確性，又便于歸檔，同時也縮短了設計周期.然而在設計過程中經(jīng)常會遇到一些特殊的部件，如圖5中的圓方節(jié)，在通常的設計手冊中并未給出相應的阻力系數(shù)或計算方法.

圖5 圓方節(jié)模型

異形件是煙風管道連接系統(tǒng)中達到介質(zhì)轉(zhuǎn)向和分配必不可少的組成部分，其壓頭消耗份額占系統(tǒng)阻力的很大部分，甚至是絕大部分.優(yōu)良的異形件不但能減少阻力損失，而且能在運行中避免震動和噪音［5］.因此，異形件阻力計算已經(jīng)成為目前電廠煙風道設計中迫切需要解決的難題.

國外在這方面的研究相對比較系統(tǒng)，如美國、德國和前蘇聯(lián)都積累了一定的數(shù)據(jù)或標準.很多著名廠商或公司都很重視異形件的實驗研究、理論計算，以及優(yōu)化異形件設計，研究成果中的一部分已形成了“標準異形件設計手冊”，供工程設計人員選用，也有一些研究成果成為商業(yè)機密而不公開發(fā)表.

目前，我國燃煤電廠煙風道異型件的設計仍采用國外提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)或者規(guī)范.東南大學能源與環(huán)境學院在這方面做了一些研究，把圓方節(jié)進口雷諾數(shù)的平方與壓力損失進行擬合，結(jié)果表明，壓力損失與雷諾數(shù)的平方成正比［6］.

5 結(jié)論

(1)在改變煙道的上面板仰角的同時，會增加過渡煙道的局部阻力和沿程阻力，增大過渡煙道建設場地.

(2)減小煙道上面板的傾角有利于改善出口界面的煙氣流速均勻性.

(3)增加導流板并適當增加上面的傾角，在節(jié)約場地的基礎上可改善出口煙氣流速的均勻性.

［1］MASLAK Chris E，TOMLINSON Leroy O.GE Combined-Cycle Experience.GE Industrial＆ Power Systems.Schenectady，NY 12345.GER-3651D［P/OL］.2000.www.ge-energy.com/prd_serv/products/.

［2］趙劍云，潘維，池作和.大型燃氣輪機余熱鍋爐進口煙道速度均勻性研究［J］.熱力發(fā)電，2004，33(8):37-40.

［3］潘維，池作和，斯東波，等.勻速流體橫掠管束的流場數(shù)值模擬［J］.浙江大學學報，2004，(8):1 043-1 046.

［4］林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1999:821-843.

［5］國家電力公司華東電力設計院.火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程［M］.北京:中國電力出版社，2000:37-45.

［6］楊巨川，方洪祖.國外的燃氣輪機和蒸汽燃氣聯(lián)合裝置［J］.燃氣輪機技術，1989，(3):69-73.