除塵器區(qū)低溫省煤器煙道數(shù)值模擬

苗世昌

(大唐洛陽熱電有限責(zé)任公司，河南洛陽471000)

電站鍋爐的一般排煙溫度為120～140℃，能量損失為3%～8%，對(duì)排煙余熱進(jìn)行回收與利用可顯著提高鍋爐效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。為適應(yīng)電站鍋爐排煙余熱節(jié)能改造的需要，在除塵器前煙道設(shè)置低溫省煤器，利用回?zé)嵯到y(tǒng)的低溫給水吸收鍋爐排煙余熱，可大幅度降低鍋爐排煙溫度，文獻(xiàn)［1－3］對(duì)低溫省煤器進(jìn)行了研究。除塵器前煙道低溫省煤器內(nèi)煙氣流速偏差會(huì)降低低溫省煤器換熱效率，同時(shí)還會(huì)對(duì)低溫省煤器管路造成磨損、沖刷［4－5］。除塵器前煙道系統(tǒng)用于連接空氣預(yù)熱器與除塵器，并將煙氣分配到除塵器各室，除塵器前煙道系統(tǒng)內(nèi)流速的均勻程度將影響除塵器各室煙氣分配的均勻程度，并影響到除塵器的電耗和除塵效率［6］。張燕［7］采用數(shù)值模擬方法對(duì)加裝低溫省煤器后鍋爐尾部煙道進(jìn)行研究，分析了煙道內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)低溫省煤器的影響。王為術(shù)［8］對(duì)除塵器區(qū)低溫省煤器煙道的流場(chǎng)均化和導(dǎo)流優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了流場(chǎng)不均對(duì)除塵器區(qū)低溫省煤器及除塵器工作性能的影響，并提出有效的優(yōu)化方案。劉明［9］利用數(shù)值模擬對(duì)除塵器前煙道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究該段煙道的流場(chǎng)對(duì)除塵器的影響，并提出改造方案。某電廠300 MW燃煤機(jī)組除塵器前煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，阻力偏大、流量分配不均，導(dǎo)致該段煙道磨損嚴(yán)重、除塵器電耗高、除塵效率低。為此，筆者采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合前煙道低溫省煤器改造，進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)研究，以獲得煙道內(nèi)煙氣流態(tài)和速度分布，為工程技術(shù)改造提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 網(wǎng)格模型

研究對(duì)象為300 MW燃煤機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組布置有四臺(tái)除塵器，空氣預(yù)熱器至除塵器間煙道為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在鍋爐除塵器前煙道加裝低溫省煤器，選取空預(yù)器出口到除塵器出口煙道系統(tǒng)作為研究對(duì)象，可選取兩個(gè)除塵器作為一個(gè)煙道單元，如圖1所示。針對(duì)煙道單元內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，利用ICEM軟件對(duì)兩個(gè)除塵器和一個(gè)低溫省煤器的煙道單元進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，煙道系統(tǒng)網(wǎng)格如圖2所示。應(yīng)用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)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450萬個(gè)。

1.2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

在除塵器前煙道的數(shù)值模擬中，采用FLUENT6.3軟件進(jìn)行計(jì)算，煙氣的流動(dòng)是基于雷諾時(shí)均N－S方程，采用RNGk～ε雙方程湍流模型進(jìn)行模擬:

動(dòng)量方程:

湍動(dòng)能方程:

湍動(dòng)能耗散率方程:

式中:ui為流體平均速度;fi為沿i方向的質(zhì)量力;ρ為水的密度;p為流體壓力;v為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);vi為渦粘性系數(shù);σk、σε為方程的Prandtl數(shù)，同時(shí)取 1.39;C1ε、C2ε為模型常數(shù)，分別取1.42、1.68;取 0.084 5。

近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)法，采用SIMPLE算法模擬速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)耦合，采用一階迎風(fēng)差分格式，隱式求解［9］;計(jì)算采用低松弛迭代的變松弛系數(shù)法。模型進(jìn)口采用速度入口條件，入口流場(chǎng)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)來表征煙道內(nèi)不同截面速度分布均勻性，以此來判斷速度分布的優(yōu)劣，Cv定義如下:

式中:vi為截面上某點(diǎn)速度為截面平均速度，m/s。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

如圖3所示，除塵器前煙道系統(tǒng)內(nèi)整個(gè)煙氣流場(chǎng)分布非常紊亂，轉(zhuǎn)彎處均有明顯的高速區(qū)和漩渦區(qū)，最高速度達(dá)32 m/s，這加劇了煙道的磨損;煙氣進(jìn)入除塵器后，煙氣的流態(tài)紊亂，造成灰斗中過渡區(qū)的二次揚(yáng)塵，增加了除塵器的電耗，同時(shí)也影響到除塵器的安全。

煙氣進(jìn)入前煙道后，首先經(jīng)入口彎頭的導(dǎo)向，因離心作用出現(xiàn)明顯的速度不均，煙氣無法充滿彎頭整個(gè)區(qū)域。在進(jìn)入分流區(qū)域時(shí)，由于彎頭的導(dǎo)向，A、B側(cè)速度分布同樣存在嚴(yán)重的不均勻性，如圖4所示，A、B側(cè)煙道均存在明顯的高速區(qū)域，這將影響低溫省煤器的煙氣入口條件。圖5為低溫省煤器入口截面速度分布圖，如圖5(a)所示，低溫省煤器A入口截面上部速度較高，最大速度為16 m/s，下部最低速度為9 m/s，截面最大的速度偏差為31.2%;如圖5(a)所示，由于受前部煙道彎頭的影響，煙氣在低溫省煤器B入口截面的速度分布嚴(yán)重不均，上部速度高達(dá)17 m/s，而最低速度只有8 m/s，截面最大的速度偏差為46.9%;可見低溫省煤器入口流場(chǎng)惡劣，這將影響低溫省煤器的工作效率和安全。

圖6為低溫省煤器內(nèi)煙氣速度分布，基于惡劣的入口條件，煙氣在進(jìn)入低溫省煤器后，由于煙道的擴(kuò)充，導(dǎo)致擴(kuò)充方向煙氣速度降低，在到達(dá)換熱管屏?xí)r，速度分布嚴(yán)重不均。如圖6(a)所示，低溫省煤器A管屏截面最大速度為12 m/s，而最小只有2 m/s左右，最大速度偏差達(dá)67.5%;如圖6(b)所示，管屏截面最大速度為12 m/s而最小只有2 m/s，由于低溫省煤器B的煙道的轉(zhuǎn)向更大，低溫省煤器內(nèi)低速區(qū)域較大，所以最大速度偏差達(dá)79.3%，這樣的速度反差很大且分布不均，嚴(yán)重影響低溫省煤器的換熱效果，同時(shí)會(huì)磨損、沖刷低溫省煤器管路，危及低溫省煤器的安全。

由于低溫省煤器煙道擴(kuò)展與減縮，導(dǎo)致煙氣在進(jìn)入除塵器時(shí)的速度分布不均，如圖7(a)所示，由于受到低溫省煤器出口處減縮結(jié)構(gòu)的影響，除塵器A入口截面下部速度高于上部速度，最大速度為14 m/s，最小速度為2 m/s;如圖7(b)所示，由于低溫省煤器B結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，從低溫省煤器B出來的煙氣速度更加紊亂，在除塵器B入口截面的下部約有截面四分之一面積大小的低速區(qū)域，最低為2 m/s，而上部速度最高達(dá)18 m/s，上下部較大的速度差會(huì)對(duì)除塵器的工作產(chǎn)生影響，當(dāng)煙氣進(jìn)入除塵器后將發(fā)生偏斜，除塵器入口氣流速度不均會(huì)影響除塵器對(duì)煙塵顆粒的捕集;流場(chǎng)的紊亂還會(huì)造成灰斗中過渡區(qū)的二次揚(yáng)塵，影響除塵器的工作效率，增加了除塵器的電耗［10］。

3 結(jié)語

1)在除塵器區(qū)煙道彎頭多、轉(zhuǎn)彎急，導(dǎo)致煙道內(nèi)速度場(chǎng)分布嚴(yán)重不均，最高速度達(dá)32 m/s，是煙道內(nèi)磨損嚴(yán)重、除塵器電耗高、除塵效率低的根本原因，除塵器前煙道內(nèi)整流消渦可以根治除塵器工作效率的問題。

2)在除塵器區(qū)加裝低溫省煤器后，惡劣的入口流場(chǎng)以及低溫省煤器煙道的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)部流場(chǎng)分布不均，換熱管屏區(qū)域速度偏差較大，影響低溫省煤器的換熱效果，危及低溫省煤器的安全。

3)低溫省煤器出口的煙氣速度分布紊亂，使得煙氣進(jìn)入除塵器后將發(fā)生偏斜，除塵器內(nèi)煙氣分配不均勻，增加了除塵器電耗，影響除塵器的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

［1］顧偉，翁一武，曹廣益，等.低溫?zé)崮馨l(fā)電的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.熱能動(dòng)力工程，2007(22):115－119.

［2］王為術(shù).節(jié)能與節(jié)能技術(shù)［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［3］黃新元，史月濤，孫奉仲，等.670t/h鍋爐增設(shè)低壓省煤器降低排煙溫度的實(shí)踐［J］.中國電力，2008，41(6):55 －58.

［4］黃新元，史月濤，孫奉仲.火電廠熱系統(tǒng)增設(shè)低壓省煤器的節(jié)能效果［J］.熱力發(fā)電，2008，37(3):56 －58.

［5］趙海波，鄭楚光.單區(qū)靜電除塵器捕集煙塵過程的數(shù)值模擬［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(2):31 －35.

［6］仇中柱，潘衛(wèi)國，李 芃，等.數(shù)值模擬與模化電除塵器改造中的應(yīng)用［J］.華東電力，2010，38(6):927 －930.

［7］張燕.加裝低溫省煤器后鍋爐尾部90°彎道流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.節(jié)能，2013(2):34－37.

［8］王為術(shù)，路統(tǒng)，陳剛，等.電除塵區(qū)低溫省煤器煙道導(dǎo)流優(yōu)化的數(shù)值模擬［J］.華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，35(4):57 －60.

［9］劉明，孟桂祥，嚴(yán)俊杰，等.火電廠除塵器前煙道流場(chǎng)性能診斷與優(yōu)化［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(11):1－6.

［10］常瑞敏，熊紅彥，舒佳慧.基于生態(tài)理念的鶴壁市鶴淇產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)規(guī)劃研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，30(2):42 －46.