電除塵區(qū)低溫省煤器煙道導(dǎo)流優(yōu)化的數(shù)值模擬

王為術(shù)，路 統(tǒng)，陳 剛，姚明宇，楊智峰

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045;2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安710032;3.大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 三門峽472143)

電站鍋爐的排煙(設(shè)計(jì)排煙溫度120 ～140 ℃)損失為3% ～8%，排煙余熱導(dǎo)致的能量損失較大.為回收余熱、節(jié)能減排，文獻(xiàn)［1－2］對低溫省煤器進(jìn)行了研究.為實(shí)現(xiàn)電站鍋爐排煙余熱節(jié)能改造的需要，在電除塵(Electrostatic Precipitator，ESP)區(qū)進(jìn)出口分級設(shè)置低溫省煤器，利用煙氣余熱加熱汽輪機(jī)凝結(jié)水，可大幅度降低鍋爐排煙溫度［3］.ESP 區(qū)低溫省煤器系統(tǒng)煙道氣流流速偏差會降低低溫省煤器換熱效率［4］，還會造成磨損、沖刷，更為嚴(yán)重的是，煙道氣流流速偏差會降低ESP 對煙塵顆粒的捕集效果［5－6］.可見，ESP 區(qū)低溫省煤器系統(tǒng)煙道流場均化至關(guān)重要. 據(jù)研究，流場導(dǎo)流裝置可有效均化流場.孫超凡等［7］采用數(shù)值模擬方法對布置有導(dǎo)流板的ESP 進(jìn)行研究，分析了導(dǎo)流板的布置對ESP 運(yùn)行的影響.劉明等［8］利用數(shù)值模擬技術(shù)對ESP 前煙道流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究該段煙道流場對ESP 的影響，并提出改造方案. 筆者基于FLUENT 6.3 軟件，針對600 MW 機(jī)組ESP 區(qū)低溫省煤器煙道流場均化導(dǎo)流方案優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以便為工程技術(shù)改造提供一些參考. 利用ICEM 軟件對1 個煙道單元進(jìn)行三維建模和網(wǎng)絡(luò)劃分.

1 數(shù)值模型與導(dǎo)流設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)格模型

在鍋爐的ESP 前后各加裝1 個低溫省煤器，所以，1 個煙道單元包括1 個ESP 和前后各1 個低溫省煤器，針對改造前后煙道流場特性和導(dǎo)流優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖1所示. 利用ICEM 軟件對1個煙道單元進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，如圖2所示.

圖1 煙道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 煙道系統(tǒng)網(wǎng)格示意圖

應(yīng)用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)，對管屏與導(dǎo)流板處進(jìn)行局部加密，在計(jì)算過程中通過逐步細(xì)化網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無關(guān)解，網(wǎng)格總數(shù)為400 萬個.

1.2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

采用FLUENT 6.3 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，氣體湍流模擬是基于雷諾時均N－S 方程，選用RNG k ～ε 雙方程湍流模型加以封閉［9］.

動量方程

湍動能方程

湍動能耗散率方程

式中:ui為流體平均速度;p 為流體壓力;fi為沿i 方向的質(zhì)量力;ρ 為水的密度;υ 為水的運(yùn)動黏性系數(shù);υi為渦黏性系數(shù);Cμ取0.084 5;C1ε，C2ε為模型常數(shù)，分別取1.42，1.68;σk，σε為方程的Prandtl 數(shù)，都取1.39.

采用一階迎風(fēng)差分格式，隱式求解，選用SIMPLE 算法對壓力速度進(jìn)行耦合;同時采用壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)域.

模型進(jìn)口采用速度入口條件，入口流場為斷面平均流速，模擬機(jī)組BMCR 工況;出口為自由出流;壁面粗糙度厚度取為0.5 mm.

1.3 速度偏差系數(shù)

采用速度偏差系數(shù)Cv來表征煙道內(nèi)不同截面處速度分布的均勻程度，

式中:vi為截面上某點(diǎn)速度，m/s;為截面平均速度，m/s.

1.4 導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)

為使煙道內(nèi)的流場分布均勻，首先對無導(dǎo)流方案進(jìn)行數(shù)值模擬，再根據(jù)模擬結(jié)果對導(dǎo)流板方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到導(dǎo)流板的安裝位置、數(shù)量和形狀，如圖3所示.

圖3 前、后低溫省煤器導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)安裝圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 無導(dǎo)流板時的速度分布特性

前低溫省煤器入口中心縱截面速度分布如圖4所示.

圖4 前低溫省煤器中心縱截面速度分布

煙氣進(jìn)入低溫省煤器，首先由于煙道截面的擴(kuò)大，煙氣速度減小，擴(kuò)展面速度降低較多;當(dāng)煙氣到達(dá)換熱管屏?xí)r，速度已經(jīng)分布不均，管屏截面下部速度最高達(dá)14 m/s，而上部速度最低只有6 m/s，上下部較大的速度差會對管屏的換熱效果產(chǎn)生影響，造成局部沖刷;通過管屏換熱區(qū)后，煙道開始縮小，煙氣速度增大，速度最高達(dá)26 m/s，局部區(qū)沖磨嚴(yán)重.ESP 入口截面Y 方向速度分布(負(fù)值表示速度向下)如圖5所示，在ESP 入口處，煙氣向下的平均速度分量達(dá)3 m/s，當(dāng)煙氣進(jìn)入ESP 后其方向?qū)l(fā)生偏斜.ESP 入口氣流速度不均會影響ESP 對煙塵顆粒的捕集.

圖5 ESP 入口截面Y 方向速度分布

如圖6所示，由于煙氣帶有較大的向下速度分量，煙氣斜向沖刷ESP 底部，并且出現(xiàn)回流、漩渦現(xiàn)象，造成灰斗中過渡區(qū)二次揚(yáng)塵，增大了ESP 內(nèi)部煙氣的能量損失，影響了ESP 的安全和工作穩(wěn)定.

圖6 尾部煙道系統(tǒng)中心縱截面速度分布

由圖7可以看出，后低溫省煤器入口中心縱截面速度分布如圖7所示. 后低溫省煤器與前低溫省煤器相比，其擴(kuò)充角度更大，導(dǎo)致煙氣在到達(dá)換熱管屏?xí)r分布不均，下部高速區(qū)流速達(dá)16 m/s，而上部低速區(qū)速度僅2 m/s，較大的速度差嚴(yán)重影響低溫省煤器的換熱效果.

圖7 后低溫省煤器中心縱截面速度分布

2.2 有導(dǎo)流板時的速度分布特性

針對前后低溫省煤器內(nèi)各安裝1 組導(dǎo)流板并對安裝導(dǎo)流板后的尾部煙道系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬. 安裝導(dǎo)流板后，煙氣在前低溫省煤器、ESP 和后低溫省煤器中的速度分布如圖8—11 所示.雖然在前、后低溫省煤器煙道擴(kuò)充處速度仍然偏小，但由于導(dǎo)流板的作用，在換熱管屏處，煙氣速度的整體分布明顯趨于均勻，上下速度梯度減小，有利于管屏處的換熱;導(dǎo)流板削減了煙氣向下的速度分量，ESP 入口處向下的平均速度分量為0.6 m/s，ESP 內(nèi)煙氣分配均勻，能量損失減小，保證了ESP 入口的氣流條件，煙塵顆粒的捕集效率高且穩(wěn)定，煙氣對ESP 磨損減小.

圖8 有導(dǎo)流板的前低溫省煤器中心縱截面速度分布

圖9 加導(dǎo)流板后ESP 入口截面Y 方向速度分布

圖10 有導(dǎo)流板的尾部煙道系統(tǒng)中心縱截面速度分布

圖11 后低溫省煤器中心縱截面速度分布

2.3 速度均勻性分析

表1給出了加裝導(dǎo)流板前后典型截面的最大速度偏差.由表1可以看出，加裝導(dǎo)流板后，各個界面速度偏差均明顯減小，尤其是換熱管屏處，最大速度偏差系數(shù)減小了約30%，煙氣在導(dǎo)流板的作用下分布趨于均勻.不同工況下各界面的最大速度偏差系數(shù)如圖12 所示.由圖12 可知，加裝導(dǎo)流板后，各界面最大速度偏差系數(shù)均明顯小于優(yōu)化前. 在不同工況下，煙道內(nèi)速度分布趨于均勻，流場內(nèi)流體密度分布均勻性得到改善.

表1 加裝導(dǎo)流板前后各截面最大速度偏差系數(shù)%

圖12 不同工況下的最大速度偏差系數(shù)曲線

3 結(jié) 語

1)在ESP 區(qū)加裝低溫省煤器以后，導(dǎo)致煙道內(nèi)速度場分布嚴(yán)重不均，影響了低溫省煤器和ESP 的運(yùn)行效率.

2)安裝導(dǎo)流板可有效改變煙道內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)，以達(dá)到設(shè)計(jì)的流體密度的均勻性分布要求;低溫省煤器內(nèi)加裝導(dǎo)流板可降低換熱管屏截面的速度偏差，保證了換熱區(qū)域流場的均勻性.

3)低溫省煤器出口的導(dǎo)流板對煙氣向下的速度分量有削弱作用，使得ESP 內(nèi)煙氣分布均勻，減少了回流和漩渦的生成，對ESP 的穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了保證.

4)通過變工況數(shù)值分析知，煙氣流速對導(dǎo)流板的性能沒有影響，因此，只需設(shè)計(jì)好額定參數(shù)下的優(yōu)化方案即可.

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