660 MW機組除塵器入口煙道流場分析

趙大周

(華電電力科學研究院，杭州 310030)

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660 MW機組除塵器入口煙道流場分析

趙大周

(華電電力科學研究院，杭州 310030)

采用數(shù)值模擬的方法研究了國內(nèi)某660 MW機組除塵器入口煙道的流場分布，研究發(fā)現(xiàn)：除塵器入口兩列煙道內(nèi)的煙氣量分配不均勻，A列煙道的煙氣量約為B列煙道煙氣量的1.2倍，通過在兩列煙道交叉處添加一塊長約1 300 mm的擋板，可使兩列煙道煙氣量之比約為1∶1，此時系統(tǒng)的壓降增加20 Pa，并可改善飛灰分布的均勻性。

除塵器； 煙道； 流場； 數(shù)值模擬； 飛灰

煙道是連接電站系統(tǒng)各設(shè)備的主要部件，同時也用于輸送煙氣、冷風等介質(zhì)[1]，其設(shè)計的合理與否直接影響著鍋爐機組的經(jīng)濟性和安全運行，而除塵器入口段煙道，決定著進入除塵器煙氣量的分配以及進入除塵器煙氣速度分布的均勻性，進而影響除塵效果，并且隨著國家對燃煤電站粉塵顆粒物排放要求的不斷提高，通過改善除塵器入口煙道的流場分布來提高除塵效率的研究具有重要意義[2-5]。

筆者以國內(nèi)某660 MW燃煤電廠除塵器與空氣預熱器之間的煙道為研究對象，通過數(shù)值模擬的方法，為煙道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 幾何模型

研究對象為國內(nèi)某660 MW機組空氣預熱器與除塵器之間的一段煙道，入口煙道截面尺寸為10 484 mm×2 696 mm，兩段出口煙道截面尺寸均為5 000 mm×4 000 mm。 CFD幾何模型根據(jù)電廠提供的竣工圖等比例建立，模型見圖1。采用Gambit軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，規(guī)則煙道采用六面體網(wǎng)格，含有導流板的煙道采用非規(guī)則網(wǎng)格。整個模型的網(wǎng)格數(shù)量約40萬，模型的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 煙道示意圖

圖2 煙道網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程

煙氣在煙道內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流，控制方程包括連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、標準k-ε方程，通用形式為：

div(ρuφ)=div(Γgradφ)+S

(1)

式中：ρ為煙氣密度，kg/m3；u為煙氣流速，m/s；φ為通用變量；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

由于飛灰在煙氣中的體積率較小，因此可采用拉格朗日離散相模型和顆粒軌道模型來進行模擬研究。考慮到煙道內(nèi)的湍流，采用隨機漫步模型(Discrete Random Walk，DRW)來模擬湍流對飛灰運動的影響。忽略飛灰顆粒受到較小的浮力、Basset力、Saffman力等作用力，主要考慮重力和曳力的作用，顆粒運動方程為：

(2)

式中：u煙氣速度，m/s；up飛灰顆粒速度，m/s；FD(u-up)為單位質(zhì)量飛灰顆粒所受的曳力，N；ρp為飛灰顆粒密度，kg/m3；ρ為煙氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

2.2 邊界條件

煙氣入口速度為充分發(fā)展的湍流，反應器出口為壓力出口條件。速度與壓力的耦合采用Simple算法。筆者以機組600 MW負荷下的工況為例進行模擬研究，模擬采用的煙氣量為該負荷段DCS的平均值。反應器入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 反應器入口邊界條件

3 結(jié)果與討論

3.1 流場分布

目前，工程中多以速度相對偏差系數(shù)來描述速度分布的均勻程度，其數(shù)值越大表明流場分布的均勻性越差。速度相對偏差系數(shù)Cv定義為：

(3)

模擬得到模型中速度分布見圖3。

圖3 速度分布

經(jīng)計算，A、B兩列煙道煙氣流量存在偏差，A列煙道內(nèi)煙氣量約為B列煙道煙氣量的1.2倍，并且A列煙道出口速度的相對偏差系數(shù)為13.67%，B列煙道出口速度的相對偏差系數(shù)為16%。為解決兩列煙道內(nèi)煙氣量存在的偏差，現(xiàn)在兩列煙道交叉處安裝一塊擋板，見圖4。

圖4 擋板安裝示意圖

分別模擬了不同擋板長度對流量分配均勻性的影響，模擬結(jié)果見圖5。

圖5 擋板長度對流量分配的影響

由圖5可以看出：A、B兩列煙道交叉處添加一塊擋板能有效改善氣流分配的均勻性，隨著擋板長度的增加，氣流分配越均勻。擋板長度約1 300 mm時，兩列煙道流量幾乎相同，此時A列煙道出口速度不均勻系數(shù)為13.3%，B列煙道出口速度不均勻系數(shù)為19.8%，改造后兩列煙道出口速度分布的不均勻性變化不大；當擋板長度超過1 300 mm，A列煙道的流量開始小于B列煙道。

兩列煙道交叉處添加一塊擋板可有效改善煙氣流量分配的均勻性，但其對系統(tǒng)的壓力損失也會產(chǎn)生影響。模擬得到不同擋板長度對系統(tǒng)的壓力損失的影響見圖6。

圖6 擋板長度對壓力損失的影響

由圖6可看出：隨著擋板長度的增加，系統(tǒng)的壓力損失逐漸增大，當擋板的長度增大到1 300 mm時，系統(tǒng)壓力損失增加約20 Pa，對整個鍋爐機組影響較小，改造方案可行。

3.2 飛灰分布

假設(shè)入口飛灰分布均勻，且飛灰顆粒與煙氣有相同的初始速度，飛灰粒徑分布服從Rosin-Rammler分布。模擬得到飛灰顆粒在煙道內(nèi)的分布見圖7。

由圖7可看出：在重力作用下，飛灰顆粒容易沉積在上轉(zhuǎn)角煙道的下部以及水平煙道的底部。而該機組又長期處于中低負荷運行，煙氣量較小，因此煙道內(nèi)的速度較低，在低煙氣流速的情況下，飛灰顆粒更易沉積，應在機組停運期間及時清理煙道內(nèi)的積灰。

圖7 飛灰質(zhì)量濃度分布

計算得到不使用擋板時A、B兩列煙道出口飛灰濃度分別約為0.017 kg/m3、0.016 kg/m3，A列煙道飛灰濃度略高于B列煙道。當使用長度約為1 300 mm的擋板時，計算得到A、B兩列煙道出口飛灰濃度分別約為0.016 6 kg/m3、0.016 4 kg/m3，飛灰分布的均勻性在一定程度上也得到改善。

4 結(jié)語

利用數(shù)值模擬的方法針對國內(nèi)某660 MW燃煤電廠除塵器前煙道內(nèi)的流場分布進行了研究，得到如下結(jié)論：

(1) 兩列煙道內(nèi)煙氣量分布差異較大，A列煙道與B列煙道內(nèi)流量比約1.2∶1。

(2) 在兩列煙道交叉處添加一塊擋板可有效改善煙氣量分配的均勻性，擋板長度1 300 mm時，兩列煙道內(nèi)的流量比約為1∶1，此時A列煙道出口速度不均勻系數(shù)約為13.3%，B列煙道出口速度不均勻系數(shù)約為19.8%，系統(tǒng)的壓力損失增加約20 Pa。

(3) 飛灰易沉積在上轉(zhuǎn)角煙道以及水平煙道的底部，擋板的使用在一定程度上改善了兩列煙道飛灰量分布的均勻性。

[1] 車德福,莊正寧,李軍,等. 鍋爐[M]. 2版. 西安: 西安交通大學出版社,2008: 65-66.

[2] 劉明,孟桂祥,嚴俊杰,等. 火電廠除塵器前煙道流場性能診斷與優(yōu)化[J]. 中國電機工程學報,2013,33(11): 1-6.

[3] 張樂川,蔣莉,侯振. 除塵器前煙道優(yōu)化設(shè)計分析[J]. 電站系統(tǒng)工程,2010,26(4): 33-34.

[4] 李國堂,李立曉,白穜. 除塵器前圓形煙道流場的數(shù)值模擬[J]. 鍋爐技術(shù),2014,45(1): 22-25.

[5] 齊曉娟,李鳳瑞,周曉耘. 電除塵器進口矩形煙道氣流分布改進的CFD模擬[J]. 環(huán)境工程學報,2011,5(2): 404-408.

Analysis on Inlet Flow Field of Dust Collector in a 660 MW Power Unit

Zhao Dazhou

(Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China)

The distribution of inlet flow field in dust collector of a 660 MW unit was studied by numerical simulation. Results show that the flue gas was not distributed uniformly in two columns at the inlet of dust collector; the flue gas amount in column A was about 1.2 times of that in column B. The flue gas amount can be balanced by adding a baffle about 1 300 mm long at the intersection of the two columns,when the pressure drop of system would be increased by 20 Pa,with improved uniformity of the fly ash.

dust collector; flue duct; flow field; numerical simulation; fly ash

2016-09-29；

2016-10-26

趙大周(1990—)，男，助理工程師，從事燃煤電站大氣污染物的控制。

E-mail: seudzz@126.com

TK223.27

A

1671-086X(2017)04-0227-03