基于數(shù)值模擬的除塵器入口煙道阻力特性研究

高榮偉，周 斌，許明磊

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

基于數(shù)值模擬的除塵器入口煙道阻力特性研究

高榮偉，周 斌，許明磊

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

火力發(fā)電機(jī)組除塵器入口煙道的幾何形狀不僅影響除塵器入口氣流的均勻性，同時(shí)也影響煙風(fēng)系統(tǒng)的阻力大小。對(duì)空預(yù)器出口至電除塵器入口段煙道形狀分別采用常規(guī)矩形煙道和圓形煙道2種設(shè)計(jì)方案。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。同時(shí)，利用Fluent求解器對(duì)該段煙道的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)上述2種工況的煙道阻力進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：圓形煙道阻力只有矩形煙道的1/5，節(jié)能效果明顯。

除塵器；入口；煙道；阻力特性；數(shù)值模擬

0 引言

當(dāng)前煙塵污染問題是制約中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的重大環(huán)境問題之一。火力發(fā)電廠等燃煤企業(yè)是中國(guó)最主要的煙塵排放源，也是煙塵污染治理的重點(diǎn)。而按照目前的排放控制水平，我國(guó)火力發(fā)電廠年排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物將分別達(dá)到500萬t、2 100萬t和1 000萬t以上。如果火電廠排放的大氣污染物得不到有效控制，我國(guó)將面臨十分嚴(yán)峻的大氣環(huán)境惡化問題，電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也將成為一紙空談。提高火力發(fā)電廠能源利用水平、減少污染物排放對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排工作意義重大。因此，火力發(fā)電廠各個(gè)系統(tǒng)與環(huán)節(jié)的優(yōu)化節(jié)能是我國(guó)未來火力發(fā)電行業(yè)節(jié)能減排的突破點(diǎn)。

火力發(fā)電機(jī)組除塵器入口的煙道用于連接空氣預(yù)熱器與除塵器，并將煙氣分配到除塵器各室，除塵器各室煙氣分配的均勻程度對(duì)除塵器電耗和除塵效率影響明顯[1]。該處煙道的阻力屬于局部阻力，是鍋爐設(shè)備煙風(fēng)阻力的一個(gè)重要組成部分，選擇合適的流道形狀可以使除塵器入口煙氣流速均勻及阻力減小，對(duì)于提高除塵器效率及節(jié)能降耗有著重要的作用。

各種結(jié)構(gòu)通道的流場(chǎng)速度分布及阻力特性研究一直是國(guó)內(nèi)外流體力學(xué)界研究的熱門課題之一，隨著計(jì)算流體力學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助數(shù)值計(jì)算的方法研究流場(chǎng)特性已成為一種切實(shí)有效的手段。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這段煙道存在的主要問題展開了改造優(yōu)化研究[2-4]。國(guó)外學(xué)者對(duì)煙道流場(chǎng)阻力特性也進(jìn)行了很多理論研究，如Kirk等對(duì)S形通道的流場(chǎng)速度分布及阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[5]。Yakinthos等使用Reynolds應(yīng)力模型及渦粘兩方程模型對(duì)90°矩形通道彎管流場(chǎng)速度分布特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[6]。Haque等采用k-ε兩方程模型對(duì)火力發(fā)電廠的靜電除塵器的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[7]。然而，這些學(xué)者并未就大機(jī)組除塵器入口煙道形狀對(duì)煙道阻力特性的影響展開深入研究。

為此，以下運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)鍋爐空預(yù)器出口至除塵器入口段的煙道分別采用傳統(tǒng)矩形煙道和圓形煙道的情況下，進(jìn)行三維建模，并計(jì)算分析比較2種煙道的阻力特性，以期為除塵器入口煙道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

1.1 煙道布置情況

某1 000 MW機(jī)組鍋爐尾部設(shè)置2臺(tái)三分倉容克式空氣預(yù)熱器，每爐配置2臺(tái)三室五電場(chǎng)除塵器，2臺(tái)空氣預(yù)熱器至電除塵器間煙道為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模型只模擬單側(cè)的煙道流動(dòng)。圖1與圖2分別為該段煙道采用矩形和圓形時(shí)的平面布置圖。

圖1 矩形煙道的平面布置

圖2 圓形煙道的平面布置

1.2 計(jì)算模型

該段煙道內(nèi)的流動(dòng)為三維湍流問題，需借助適當(dāng)湍流模型，此處采用應(yīng)用較廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；xi為i方向的位移；Fi為微單元流體所受的i方向的力；p為微單元流體的壓強(qiáng)；μ為流體運(yùn)動(dòng)粘度；xi，xj，xk分別為i，j，k方向的位移；ui，uj，uk分別為i，j， k方向的速度分量；分別為i，j方向的平均速度分量。

G為湍流生成項(xiàng)，其關(guān)系式為：

上述各個(gè)方程的系數(shù)值如下：Cε1=1.44，Cε2= 1.92，σk=1.0，σε=1.3。對(duì)于壁面附近的區(qū)域，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法修正。

1.3 邊界條件

入口邊界條件為來流速度充分發(fā)展且分布均勻，按煙氣量折算速度取14 m/s，溫度取130℃；將壓力出口定為出口邊界條件，取大氣壓力；煙道壁面視為絕熱壁面。

1.4 網(wǎng)格劃分

為了適應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用商業(yè)軟件Gambit采用四面體和六面體網(wǎng)格對(duì)上述2個(gè)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以用常規(guī)六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分的區(qū)域，一律選擇Tet/Hybrid類型，并利用TGrid劃分網(wǎng)格。矩形煙道模型和圓形煙道模型網(wǎng)格劃分分別如圖3、圖4所示。矩形煙道模型網(wǎng)格計(jì)算單元數(shù)量約為12萬，而圓形煙道模型網(wǎng)格計(jì)算單元數(shù)量約為15萬。

圖3 矩形煙道網(wǎng)格劃分

圖4 圓形煙道網(wǎng)格劃分

2 阻力分布特性

2.1 矩形煙道

將上述2個(gè)三維網(wǎng)格模型導(dǎo)入商業(yè)軟件Fluent，并進(jìn)行相應(yīng)的邊界條件設(shè)置，其中入口邊界條件是速度入口，出口是壓力出口。邊界條件設(shè)置后，進(jìn)行迭代計(jì)算。

圖5為矩形截面煙道在BMCR（鍋爐最大出力工況）工況下其系統(tǒng)總壓分布的數(shù)值模擬結(jié)果：系統(tǒng)的壓降為進(jìn)口總壓與出口截面總壓的差值，分析可以得到右邊矩形截面煙道系統(tǒng)壓降為670.359 Pa，中間矩形截面煙道系統(tǒng)壓降為657.584 Pa，左邊矩形截面煙道系統(tǒng)壓降為633.282 Pa。

圖5 矩形煙道系統(tǒng)總壓分布情況

2.2 圓形煙道

圖6給出了圓形截面煙道在BMCR工況下其系統(tǒng)總壓分布的數(shù)值模擬結(jié)果。將進(jìn)口總壓與3個(gè)出口總壓比較，可以得到大彎扭圓形截面煙道系統(tǒng)壓降為139.179 Pa，中彎扭圓形截面煙道系統(tǒng)壓降為131.904 Pa，小彎扭圓形截面煙道系統(tǒng)壓降為138.920 Pa。

圖6 圓形煙道系統(tǒng)總壓分布

從上述分析計(jì)算可以看出，常規(guī)矩形煙道的3個(gè)出口截面的壓降分別為670.359 Pa，657.584 Pa和633.282Pa；而優(yōu)化后圓形煙道的3個(gè)出口截面的壓降分別為 138.920 Pa，131.904 Pa和139.179 Pa。因此，采用優(yōu)化后的圓形截面煙道，其整體壓降大約只有常規(guī)矩形截面煙道整體壓降的1/5，這樣引風(fēng)機(jī)電耗更少，更節(jié)能。

3 結(jié)論

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，利用Fluent求解器對(duì)1 000 MW電站鍋爐中空預(yù)器出口至電除塵器入口段的煙道結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究中對(duì)煙道的結(jié)構(gòu)分別采用了常規(guī)矩形煙道和圓形煙道2種設(shè)計(jì)方案。

CFD仿真結(jié)果表明，對(duì)于常規(guī)矩形截面煙道，其 3個(gè)分支煙道的總壓損分別為 670.359 Pa，657.584 Pa和633.282 Pa；而對(duì)于優(yōu)化后的圓形截面煙道，其3個(gè)分支煙道的總壓損分別為138.920 Pa，131.904 Pa和139.179 Pa。因此，優(yōu)化后的圓形截面煙道比常規(guī)矩形截面煙道的壓損更小，即內(nèi)部阻力更小，更節(jié)能。因此，對(duì)于電除塵器前的煙道，推薦使用圓形煙道。

此外，煙道的幾何結(jié)構(gòu)形狀對(duì)煙道內(nèi)氣流速度的分布影響較大，而氣流均布性影響著電除塵器的除塵效率。下一步的工作將利用數(shù)值模擬技術(shù)研究不同結(jié)構(gòu)形狀的煙道對(duì)氣流速度分布的影響。

[1]仇中柱，潘衛(wèi)國(guó)，李芃，等.數(shù)值模擬與?；陔姵龎m器改造中的應(yīng)用[J].華東電力，2010，38（6）∶927-930.

[2]陶克軒，常毅君，張波，等.電廠除塵器入口煙道數(shù)值模擬及改造[J].熱力發(fā)電，2011，40（1）∶52-54.

[3]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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（11）∶1-6.

[4]李慶，楊振亞，甘罕，等.靜電除塵器煙道進(jìn)口處流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].環(huán)境污染與防治，2012，34（1）∶1-4.

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[6]YAKINTHOS K，LAHOSTERGIOS Z，OULAS A.Modeling the flow in a 90°rectangular duct using one Reynoldsstress and two eddy-viscosity models[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29（1）∶35-47.

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（本文編輯：陸 瑩）

Investigation on Characteristics of Precipitator Inlet Flue Duct Resistance Based on Numerical Simulation

GAO Rongwei，ZHOU Bin，XU Minglei
（Zhejiang Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Geometric shape of precipitator inlet flue duct in thermal power generating units not only affects the uniformity of precipitator inlet air flow but also the resistance of the flue duct gas system.This paper uses two design schemes for the geometrical shape of flue duct from air preheater outlet to electrostatic precipitator inlet∶one is conventional rectangular flue duct and the other is circular flue duct.Standard k-ε model is adopted，and SIMPLE algorithm is used for pressure-velocity coupling.Meanwhile，F(xiàn)luent software is used for numerical simulate and calculation of flow filed of the flue duct.Additionally，the resistances of the flue duct in the above two conditions are analyzed and calculated.The calculation result reveals that the resistance of the circular flue duct is only one fifth of that of rectangular flue duct，and effect of energy saving is obvious.

precipitator；inlet；flue duct；resistance characteristic；numerical simulation

TM621.7+3

：B

：1007-1881（2016）05-0024-04

2016-02-29

高榮偉（1969），男，高級(jí)工程師，從事發(fā)電設(shè)計(jì)及經(jīng)營(yíng)管理工作。