電廠鍋爐尾部煙道流場(chǎng)均勻性的數(shù)值模擬

魯亞龍 耿毫偉 楊厚樂(lè) 付少闖 蘇雪冰

摘 要：為了優(yōu)化電廠鍋爐煙道出口流場(chǎng)分布的均勻性，利用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）模擬對(duì)電廠鍋爐煙道出口的速度場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，本文主要是對(duì)煙道出口加裝均流板來(lái)改善煙道的流場(chǎng)，以及通過(guò)對(duì)煙道內(nèi)折流板進(jìn)行優(yōu)化來(lái)改善流場(chǎng)的均勻性。研究結(jié)果表明，對(duì)煙道出口加裝均流板及改變折流板個(gè)數(shù)和角度可以明顯改善煙道出口處流場(chǎng)的均勻性。

關(guān)鍵詞：煙道；數(shù)值模擬；導(dǎo)流板；均流板；流場(chǎng)均勻性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.147

0 引言

我國(guó)是一個(gè)以燃煤發(fā)電為主要發(fā)電形式的國(guó)家[1]，燃煤生成物中含有許多固體顆粒物會(huì)隨著煙氣排出[2]，顆粒物在流動(dòng)的過(guò)程中會(huì)造成系統(tǒng)的磨損，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致鍋爐非計(jì)劃停機(jī)維修[3]。本文研究對(duì)象是某電廠鍋爐省煤器前煙道系統(tǒng)，由于原始煙道出口流場(chǎng)的不均勻性導(dǎo)致省煤器磨損較嚴(yán)重。為了避免由于磨損問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)帶來(lái)的損失，需對(duì)省煤器前煙道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

本文利用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）對(duì)該部分煙道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)加裝均流板和改善導(dǎo)流板角度等結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化省煤器前煙道出口流場(chǎng)的均勻性，進(jìn)而達(dá)到降低省煤器磨損的問(wèn)題。

1 數(shù)值模擬方法

本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)各結(jié)構(gòu)形式的煙道進(jìn)行數(shù)值模擬，煙道模型為三維模型。對(duì)煙道內(nèi)流動(dòng)形式采用三維穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方法，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型。

1.1 煙道模型及網(wǎng)格劃分

1.1.1 煙道模型

某臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐尾部煙道的設(shè)計(jì)模型如下圖1所示。其中，煙道入口尺寸為14985mm*6629mm，出口1和2的尺寸為4300mm*4300mm，出口3的尺寸為5200mm*4300mm。

本文通過(guò)改各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煙道出口流場(chǎng)的均勻性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其具體模擬的結(jié)構(gòu)為：

（1）原始煙道：出口1左側(cè)加有1500mm（遮住1/3出口）的擋板，出口2處三個(gè)折流板角度都為116.9o，出口3處折流板內(nèi)外弧半徑分別為R2533、R3900；

（2）優(yōu)化方案一：把出口1左側(cè)加裝遮出口1/3擋板改為在上側(cè)加裝，其它結(jié)構(gòu)保持（1）中所述；

（3）優(yōu)化方案二：在煙道拐角處（如圖1-（b）所示）加裝6個(gè)折流板，并且在底部加裝正三棱柱（三角形邊長(zhǎng)為400mm）撞擊板，出口1處加裝均流板，其它保持結(jié)構(gòu)（2）中所示；

（4）優(yōu)化方案三：刪去出口1處上側(cè)的折流板，底部撞擊板截面三角形邊長(zhǎng)由400mm改變?yōu)?00mm，其它保持結(jié)構(gòu)（3）；

（5）優(yōu)化方案四：改變出口2處折流板角度為120o，其它結(jié)構(gòu)保持（4）中所述。

1.1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格采用MAP方案進(jìn)行劃分[4]，煙道流域網(wǎng)格最大單元數(shù)設(shè)置為0.5m，折流板采用內(nèi)部面網(wǎng)格的劃分方式，并進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為972498。

1.2 控制方程[4，5]

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

其中，P為靜壓

Fi包含了其它模型相關(guān)源項(xiàng)，如多孔介質(zhì)和自定義源項(xiàng)。

湍動(dòng)能k方程：

1.3 邊界條件

入口采用速度邊界，其流速為v=5.8m/s，三個(gè)出口邊界均采用壓力邊界，壁面邊界條件為絕熱。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 原始煙道模擬結(jié)果

基于以上模型及邊界條件，模擬計(jì)算了原始煙道三個(gè)出口流場(chǎng)速度分布云圖如下圖2所示。由圖可知，三個(gè)出口的流動(dòng)均勻性極差，出口一的最大最小速度相差有18m/s之多，會(huì)增大煙道后部省煤器的磨損，在實(shí)際運(yùn)行中有安全隱患。

2.2 煙道優(yōu)化模擬結(jié)果

為了改善煙道出口流速的均勻性，對(duì)煙道進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造后的流動(dòng)狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬，五種優(yōu)化方案均是為了改善煙道出口流場(chǎng)均勻性而進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改善，其優(yōu)化后的煙道結(jié)構(gòu)出口速度分布比較均勻。

圖3可以更加直觀的看出煙道優(yōu)化前后出口體積流量和出口流速的大小和三個(gè)出口的流量及速度偏差。從圖3（a）中可以看出，原始煙道出口的流量分布極不均勻，最大達(dá)到350m3/s左右，最小只有100m3/s左右；四個(gè)優(yōu)化方案中的流量出口分布相差很小，基本在210m3/s左右。從圖3（b）中可以看出，原始煙道出口1和出口2、3

（下轉(zhuǎn)第164頁(yè)）

（上接第168頁(yè)）

流速相差較大，相差有10m/s左右；四個(gè)優(yōu)化方案中，優(yōu)化二和優(yōu)化四分布相對(duì)均勻。

3 結(jié)論

（1）原始煙道的結(jié)構(gòu)形式存在很大的不合理性，三個(gè)出口的流量偏差和速度偏差都較大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性。

（2）本文優(yōu)化的四種煙道結(jié)構(gòu)可有效的改善出口流場(chǎng)的均勻性，流量和流速的均勻性都得到了有效的改進(jìn)。其中，優(yōu)化方案二相對(duì)其它三種優(yōu)化方案能夠有效提高煙道出口的流動(dòng)均勻性。

參考文獻(xiàn)：

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[5]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1999.

作者簡(jiǎn)介：魯亞龍（1994-），男，河南商丘人，研究生在讀，主要從事傳熱傳質(zhì)的研究工作。