火力發(fā)電廠引風機出口煙氣系統流場優(yōu)化研究及應用

李東民，張貞，逄紹健

(1.中國華電科工集團有限公司，北京 100160；2.廣東省輻射監(jiān)測中心，廣州 510300)

0 引言

目前，電廠業(yè)主為了降低建廠成本，不斷壓縮整體布置空間，鍋爐輔機及相應的煙風道布置空間緊湊。遵循國家規(guī)程、規(guī)范且受傳統設計理念的影響，在進行項目設計時，普遍存在T型對沖匯流、矩形煙道風箱式布置、整體布置彎頭數多、路徑長等現象，造成了煙風道建設初期耗材大及機組運行時沿程阻力大、局部流場混亂、易振動和噪音大等嚴重問題，使建設初投資大及運行時相應風機能耗大，浪費嚴重。本文對新型圓形雙管偏心匯流技術、新型圓形煙道及全新設計理念進行研究，并分析其在華能汕頭電廠的應用情況。

1 研究的主要內容及技術基礎

1.1 研究的主要內容

火力發(fā)電廠鍋爐引風機出口至煙氣換熱器(GGH)入口處的煙道優(yōu)化技術。

1.2 研究的技術基礎

1.2.1 技術路線

(1)突破傳統煙道設計觀念影響，建立新型的圓形煙道理念，然后利用先進的《煙風煤粉管道三維設計軟件》對引風機出口至脫硫吸收塔入口段煙道進行三維動態(tài)建模，具體就是根據不同工程的約束條件任性建立以新型圓形雙管偏心匯流管為核心的煙道整體模型。

(2)對煙道整體模型采用Fluent軟件進行流場模擬，模擬過程包括幾何模型的建立、邊界條件的選取、計算模型的選擇、控制參數的選取、求解離散方程和數據的后處理等。

1.2.2 相關條件

(1)邊界條件。數值計算的邊界條件與算法見表1，相關參數確定如下。

1)入口邊界速度uin=qV/A，vin=0，win=0，式中：qV為入口煙氣流量；A為入口截面積。

2)入口k-ε值

式中：uavg為入口煙道平均流速；I為湍流強度，湍流脈動速度的均方根與平均流速之比；Cμ為經驗常數；l為湍流尺度，通常用0.07L表征，L為煙道入口的水力直徑。

3)出口條件：根據本文邊界設置，可設出口邊界值與相鄰內節(jié)點值相等。

4)壁面邊界條件：本文所采用的標準k-ε模型只適用于大雷諾數的完全湍流區(qū)域，對于近壁的黏性層，由于雷諾數很小，理論上標準k-ε模型是不適用的。就目前發(fā)展情況來看，一般采用壁面函數法來處理近壁湍流問題。壁面函數法的優(yōu)點在于可將大雷諾數的k-ε模型推廣到近壁區(qū)小雷諾數區(qū)域。

表1 邊界條件及算法

(2)收斂條件。由于模擬過程中涉及變數很多，所設定的收斂標準為最后一次迭代的殘值與第2次迭代的殘值比小于10-4。

2 傳統矩形設計與優(yōu)化圓形技術方案對比

2.1 傳統矩形布置形式[1-2]

改造前為傳統矩形布置形式，引風機A、引風機B的出口通過2個 90° 矩形急轉彎后，兩側對沖式匯流至主煙道，接著經過 90° 矩形急轉彎進入增壓風機，增壓風機出來后再經過 90° 矩形急轉彎進入GGH入口處彎頭，具體如圖1所示。為了取得其阻力數據和流場分布，根據第1章設定條件，將引風機出口流速設定為15 m/s，采用Fluent軟件進行流場模擬，模擬結果(僅模擬至增壓風機入口)如圖2所示。

圖1 引風機出口煙道改造前布置形式

圖2 優(yōu)化前數值模擬結果

從模擬結果中可以直觀地發(fā)現：匯流處前后全壓分界明顯，道體內壓力分布和速度分布極不均勻，渦流區(qū)域明顯，壓力損失大。對進、出口截面壓力取差值：Δp=288-(-247)= 535(Pa)，而該段煙道阻力實測值折算至鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況約700 Pa，實測值大于模擬值，且壓力損失巨大。

2.2 優(yōu)化后圓形技術方案[1-2]

應用新型圓形雙偏心匯流管和新型圓形煙道技術，結合全新設計理念優(yōu)化后布置方式：引風機A和引風機B的出口通過2個30°的圓形緩轉彎后，再利用新型圓形雙管偏心匯流技術順流匯流至主管煙道，然后再經過 90° 圓形緩轉彎頭后接至GGH入口處彎頭，具體如圖3所示。為了取得其阻力數據和流場分布，根據第1章設定條件，將引風機出口流速設定為15 m/s，采用Fluent軟件進行流場模擬，模擬結果(模擬至GGH入口拐彎處)如圖4所示。

圖3 引風機出口煙道改造后布置形式

圖4 優(yōu)化后數值模擬結果

從模擬結果中可以直觀地的發(fā)現：優(yōu)化后的技術方案匯流處前后全壓分布和速度分布都較為均勻，渦流區(qū)域不明顯，壓力損失小。對匯流前后的截面壓力取差值：Δp=231-168=68(Pa)，而現場實測值為61 Pa，與模擬值比較接近。

2.3 方案對比

根據以上分析，并結合華能汕頭電廠應用后的耗材統計情況，得出2種方案阻力損失、流場分布、耗材等方面的對比情況見表2。

表2 2種技術方案對比

3 優(yōu)化技術路線核心構件分析

本文所研究優(yōu)化路線的核心構件為：新型圓形雙偏心變徑匯流管，其結構由兩個圓形偏心的變徑大小頭相互之間干涉產生(其中，大小頭氣流入口端直徑與單側引風機出口后主煙道直徑一致，大小頭出口端直徑與兩側引風機出口匯合后的總煙道直徑一致)，如圖5所示。設計時為了能夠較為準確地計算出該核心構件的阻力，用于系統煙風道阻力核算，需要對該核心構件進行多次不同匯流夾角的模擬(模擬結果見表3)，然后根據模擬結果擬合出其阻力計算方程

Δp=[(0.5α-9)-646.5](ρω2/2) ，

式中：Δp為壓力損失；α為匯流夾角；ρ為流體密度；ω為入口流速。該公式沒有考慮管徑等因素，推廣到其他工況可能需要進行驗算。

圖5 新型圓形雙偏心變徑匯流管

流速/(m·s-1)匯流夾角/(°)阻力損失/Pa15402.415361.915321.515281.115240.6

4 實例驗證

華能汕頭電廠3臺機組改造后煙風道運行阻力下降超過80%，經現場實測檢驗阻力由原來的約1 000 Pa下降至100 Pa以下，引風機電流下降100 A以上，故采用新型圓形雙管偏心匯流技術、新型圓形煙道及全新設計理念來優(yōu)化煙風系統設計對節(jié)能有重要意義。

5 結束語

在電力設計上，火力發(fā)電廠引風機出口煙風道技術方案是至關重要的一部分，不僅直接影響電廠占地、耗材等初投資，還影響投運后機組運行時引風機電流大小，進而影響機組廠用電等經濟性指標。采用新型圓形雙管偏心匯流技術、新型圓形煙道及全新設計理念來優(yōu)化煙風系統設計，同時大膽突破傳統觀念的影響，堅持以創(chuàng)新為導向對鍋爐煙風系統的優(yōu)化設計至關重要，且鍋爐煙風系統的優(yōu)化對節(jié)能、環(huán)保具有重要意義。