流場優(yōu)化消除煙道振動(dòng)研究

章華熔，林 翔，葉興聯(lián)，吳桂平

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

0 引言

LGGH是采用管式煙氣換熱器的低低溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高、零漏風(fēng)率、維護(hù)簡便等特點(diǎn)，作為代替原回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器(GGH)在汕尾電廠4臺(tái)600MW等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組超低排改造中應(yīng)用。2016年底，汕尾電廠1、2號(hào)機(jī)組超低排放改造后LGGH升溫段先后出現(xiàn)振動(dòng)異常問題，經(jīng)邀請行業(yè)內(nèi)專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場振動(dòng)測試和分析，煙道內(nèi)加裝傳統(tǒng)導(dǎo)流隔板，將煙道振動(dòng)降低到電廠許可范圍內(nèi)，但未能完全消除煙道振動(dòng)。在接下來的3、4號(hào)機(jī)組超低排放改造時(shí)，通過在LGGH升溫段設(shè)置流線型導(dǎo)流板，有效地消除了設(shè)備振動(dòng)。

1 現(xiàn)有煙道系統(tǒng)存在的問題

隨著環(huán)保要求的不斷提高，大部分電廠對環(huán)保設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造。但相當(dāng)多的電廠因場地空間局限，設(shè)備改造后場地空間局限，導(dǎo)致各個(gè)設(shè)備的煙道連接雜亂復(fù)雜，煙道設(shè)計(jì)不符合相關(guān)的煙道設(shè)計(jì)規(guī)程[1]。易導(dǎo)致煙氣在煙道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)流場失衡，造成煙氣偏流、射流、渦流、回流，最終導(dǎo)致煙道及設(shè)備的振動(dòng)[2]。在電廠中，這種現(xiàn)象在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口、脫硫塔進(jìn)出口和煙氣換熱器擴(kuò)散口尤為突出。歸納原因?yàn)椋哼M(jìn)出口煙道不規(guī)則，氣流分布不均勻，造成設(shè)備的聲學(xué)駐波頻率與某種煙氣氣流的渦動(dòng)頻率接近，即發(fā)生共振[3]。此處產(chǎn)生氣流渦動(dòng)的原因主要為：煙道截面面積及流體運(yùn)動(dòng)方向的急劇變化，形成大范圍渦流。

本次針對汕尾電廠存在的振動(dòng)問題，設(shè)計(jì)出具有一種流線型煙風(fēng)道及導(dǎo)流板技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)流板，流線型煙道及導(dǎo)流板技術(shù)的設(shè)計(jì)理念是改進(jìn)煙道與導(dǎo)流板布置的合理性，從而消除內(nèi)部大范圍回流現(xiàn)象，降低煙道局部阻力，提高氣流均布性，進(jìn)而消除道體振動(dòng)，增強(qiáng)氣流穩(wěn)定性，提高設(shè)備效率及使用壽命，降低電廠能耗。

2 工程概況

2.1 汕尾電廠1、2號(hào)機(jī)組LGGH問題

汕尾電廠1、2 號(hào)600MW燃煤發(fā)電機(jī)組于2008年投運(yùn)。2016年11月-12月，1、2號(hào)機(jī)組先后完成超低排放改造，機(jī)組新增了LGGH系統(tǒng)。LGGH升溫段，即再加熱器布置在脫硫吸收塔出口水平煙道上，沿?zé)煔饬飨蚍值蜏亍⒅袦?、高溫三段受熱面?/p>

1、2號(hào)機(jī)組新增的LGGH系統(tǒng)正式投運(yùn)后，當(dāng)鍋爐總風(fēng)量大于2160t/h(機(jī)組負(fù)荷大于530MW時(shí))，LGGH升溫段及其入口煙道出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，現(xiàn)場在升溫段換熱器集水箱測點(diǎn)最大振幅高達(dá)8mm，并伴有較大的噪音。

2.2 汕尾電廠3、4號(hào)機(jī)組參數(shù)

鑒于1、2號(hào)機(jī)組新增的LGGH升溫段與煙道產(chǎn)生了設(shè)備振動(dòng)，對于汕尾電廠3、4號(hào)機(jī)組新增的LGGH系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。4號(hào)機(jī)組LGGH系統(tǒng)布置見圖1。

表1 3、4號(hào)機(jī)組LGGH改造項(xiàng)目主要參數(shù)

項(xiàng) 目數(shù) 值煙氣量/m3·h-12390000再加熱器入口溫度/℃49再加熱器出口溫度/℃80再加熱器阻力/Pa≤550

圖1 汕尾電廠4號(hào)機(jī)組LGGH系統(tǒng)布置

3 解決措施

如圖1所示，與再熱器相連接的進(jìn)出口煙道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直角煙道轉(zhuǎn)彎處短而窄，煙道截面變化大，煙氣流漸縮與漸擴(kuò)角大。這些因素的疊加，使煙氣流量分布不均、偏差大、流場紊亂，易形成較大的渦流區(qū)，引起設(shè)備振動(dòng)。

3.1 方案分析

3.1.1 流場模擬

為詳細(xì)了解煙道內(nèi)的氣體流動(dòng)情況，采用CFD軟件對LGGH系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，再加熱器進(jìn)口擴(kuò)散端存在大渦流，彎頭變徑等處流量偏差很大，局部區(qū)域有較大的回流，造成氣流紊亂，再加熱器內(nèi)流場分布均勻性差，相對均方根差值為0.264。再加熱器入口斷面局部最高風(fēng)速達(dá)到16m/s。以上因素的綜合影響，極易引起設(shè)備和煙道振動(dòng)。

圖2 原煙道速度分布云圖

3.1.2 振動(dòng)機(jī)理分析

汕尾電廠1號(hào)機(jī)組LGGH運(yùn)行中，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，再熱器處煙道產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)現(xiàn)象。從理論上分析，引起煙道及振動(dòng)的主要因素有聲學(xué)駐波頻率、煙氣流經(jīng)管排的卡門渦流脫落頻率、煙氣氣流的渦動(dòng)頻率、受熱面管束的固有頻率等[4]。當(dāng)煙氣流經(jīng)受熱面時(shí)，其聲學(xué)駐波頻率和卡門渦流脫落頻率、氣流渦動(dòng)頻率、管束固有頻率中某兩種或兩種以上頻率耦合時(shí)，即發(fā)生共振[5-6]。氣流分布的不均勻也可誘發(fā)共振[7]。煙氣在經(jīng)過LGGH入口擴(kuò)張段時(shí)，氣流分布均勻性較差，在高負(fù)荷工況下，氣流的渦動(dòng)頻率與聲學(xué)駐波頻率接近時(shí)，發(fā)生共振[8]。氣流渦動(dòng)的原因?yàn)椋簾煹澜孛娣e及流體方向的改變，形成渦流；煙道內(nèi)流速偏差較大，形成漩渦強(qiáng)度較高的二次流[9-15]。

3.1.3 消除振動(dòng)分析

消除共振的方法為：通過加設(shè)導(dǎo)流隔板改變設(shè)備的聲學(xué)駐波頻率；優(yōu)化煙道及LGGH入口導(dǎo)流板布置，改善煙氣流場均勻性，消除渦流，避免因氣流分布不均誘發(fā)的氣柱共振。

3.2 流線型導(dǎo)流板布置

再加熱器內(nèi)流場分布均勻性差，易使設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)也不利于發(fā)揮其換熱性能。因此，有必要通過設(shè)置合理的導(dǎo)流裝置進(jìn)行流場優(yōu)化。經(jīng)過多次調(diào)整比對，采用流線型導(dǎo)流板可以改變煙道的氣柱固有頻率，同時(shí)減小激振頻率范圍、降低轉(zhuǎn)角阻力。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流裝置布置如圖3所示。

對優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的再加熱器系統(tǒng)內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明：優(yōu)化后消除了煙道內(nèi)大渦流，設(shè)置于再加熱器前端的流線型導(dǎo)流板幾乎平行于煙氣流向。再加熱器內(nèi)流場分布得到明顯改善，速度分布更加均勻，再加熱器入口斷面速度分布相對均方根差為0.176，再加熱器入口斷面煙氣流速最大值為12m/s。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)

圖4 優(yōu)化后煙道速度分布云圖

3.3 效果分析

優(yōu)化后LGGH上下游煙道煙氣流場均勻性得到明顯改善，原變徑煙道產(chǎn)生的大渦流及局部回流徹底消除。再加熱器入口斷面氣流速度相對均方根差值由優(yōu)化前的0.264降低至0.176；斷面氣流最大流速由優(yōu)化前的16m/s降低至12m/s。減輕甚至消除LGGH煙道段的振動(dòng)隱患，提高了LGGH的換熱性能，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的使用壽命。

4號(hào)機(jī)組再加熱器段加裝流線型導(dǎo)流板，于2017年7月投運(yùn)后，現(xiàn)場測得再加熱器殼體振幅低于0.03mm。

4 結(jié)語

采用CFD數(shù)值模擬方法對汕尾電廠3、4號(hào)機(jī)組LGGH改造項(xiàng)目再加熱器的流場進(jìn)行數(shù)值分析，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行了流線型導(dǎo)流板的優(yōu)化應(yīng)用。消除了初始設(shè)計(jì)方案中煙道內(nèi)的大渦流，再加熱器入口斷面氣流均布性得到了明顯改善。說明了基于聲學(xué)理論，通過改變煙道的氣柱固有頻率，可有效避免聲學(xué)駐波產(chǎn)生的共振。應(yīng)用流線型導(dǎo)流板，消除煙道振動(dòng)的同時(shí)提高氣流均布性，為類似的非風(fēng)機(jī)引起的煙道振動(dòng)提供了新的解決思路。

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