某1000MW 機(jī)組低低溫除塵器改造氣流分布數(shù)值模擬實(shí)例

冀長(zhǎng)坤，鄭玉鋒，周岳鋒，黃均

（1.華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522；

2.浙江菲達(dá)菱立高性能煙氣凈化系統(tǒng)工程有限公司，浙江 杭州 310000）

1 工程基本概況

本工程為某燃煤電廠1×1000MW 機(jī)組，改造前污染物的實(shí)際排放量未達(dá)到國(guó)家規(guī)定的出口排放要求，需要對(duì)爐后環(huán)保島設(shè)備進(jìn)行整體改造和增設(shè)，最終目的是使煙囪入口污染物排放達(dá)到基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、SO2排放濃度分別不高于5mg/m3、35mg/m3的超低排放要求。

本項(xiàng)目針對(duì)除塵器部分的改造為對(duì)原除塵器進(jìn)行低低溫提效改造，即在除塵器前煙道處加裝低溫省煤器使進(jìn)入除塵器入口的煙氣溫度降到酸露點(diǎn)以下，以此來提高除塵器的除塵效率。原除塵器的配置為一臺(tái)爐布置兩臺(tái)三室五電場(chǎng)靜電除塵器，其中末電場(chǎng)采用旋轉(zhuǎn)電極。改造后除塵器本體結(jié)構(gòu)不做改造，在每臺(tái)除塵器前煙道處布置3 臺(tái)低溫省煤器并對(duì)原除塵器進(jìn)口封頭和前煙道進(jìn)行優(yōu)化改造。因改造后煙道部分和除塵器進(jìn)口封頭部分較原來形式有較大變化，所以需要通過氣流模擬試驗(yàn)來確定優(yōu)化的方案。本次改造利用CFD 數(shù)值模擬方法對(duì)除塵器前段煙道和除塵器內(nèi)部的流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果確定煙道和除塵器進(jìn)口氣流分布板的優(yōu)化方案。

2 建立模型

2.1 物理模型

本項(xiàng)目1000MW 機(jī)組鍋爐采用平衡通風(fēng)，在低溫省煤器和除塵器進(jìn)口封頭進(jìn)行選型布置后的煙道俯視圖如圖1 所示。本項(xiàng)目建模分空預(yù)器出口至除塵器入口段和除塵器入口至除塵器出口段兩部分，空預(yù)器出口至除塵器入口段用于設(shè)計(jì)煙道處導(dǎo)流板保證進(jìn)入各個(gè)低溫省煤器的氣量均衡，除塵器入口至除塵器出口段用于設(shè)計(jì)進(jìn)口氣流分布板保證除塵器單個(gè)室內(nèi)的氣流均勻分布于有效收塵面積中。

由于煙道、低溫省煤器、除塵器內(nèi)的零部件較多，難以建立精確的幾何模型。

在滿足工程要求的前提下，為方便模型計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下適當(dāng)簡(jiǎn)化。

（1）對(duì)流場(chǎng)影響較小的內(nèi)部構(gòu)件（如內(nèi)撐桿、加強(qiáng)筋、膨脹節(jié)等）忽略不計(jì)。

圖1 煙道布置俯視圖

（2）認(rèn)為管道各部件之間的連接完好無缺陷。

（3）導(dǎo)流板厚度和管道壁厚相對(duì)管徑均小很多，因此忽略不計(jì)。

（4）將煙氣視為不可壓縮流體。

根據(jù)實(shí)際煙道相關(guān)數(shù)據(jù)，利用三維設(shè)計(jì)軟件建立煙道1：1 幾何模型，因空預(yù)器出口至除塵器入口處煙道結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，故模擬時(shí)可僅考慮一半，選擇右側(cè)煙道為研究對(duì)象。因除塵器各個(gè)室的結(jié)構(gòu)一致，故模擬時(shí)可僅考慮一個(gè)室作為研究對(duì)象。

2.2 網(wǎng)格布置

采用CFD 軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格布置。根據(jù)煙道出入口和導(dǎo)流板的形狀，并考慮煙氣在煙道中的流動(dòng)情況，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)內(nèi)部導(dǎo)流板和轉(zhuǎn)彎煙道附近進(jìn)行局部加密。采用六面體和楔形混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分。雅可比行列值大于0.3，網(wǎng)格的扭曲變形量得以合理控制，整體網(wǎng)格質(zhì)量較好。

2.3 物性參數(shù)與邊界條件

因考慮粉塵粒徑較小，計(jì)算中將煙氣視作不可壓縮流體，假設(shè)煙氣流動(dòng)過程中恒溫、不考慮飛灰影響?？疹A(yù)器出口至低溫省煤器出口段煙道的邊界條件設(shè)為自由出流，3 個(gè)出口處的煙氣流量之比1：1：1。除塵器進(jìn)出口段進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件、出口采用壓力出口邊界條件、進(jìn)口氣流分布板采用多孔介質(zhì)模型、進(jìn)口喇叭處的導(dǎo)流片、內(nèi)部件等均采用固體壁面邊界條件。

3 模擬結(jié)果與煙道優(yōu)化方案

3.1 空預(yù)器出口至低溫省煤器出口段煙道

空預(yù)器出口至低溫省煤器出口段煙道中加裝了低溫省煤器后煙道形式發(fā)生了改變，煙道的垂直煙道處煙氣流速下降較快，內(nèi)外側(cè)流速差異較大；水平三個(gè)出口中局部區(qū)域出現(xiàn)渦流，三個(gè)出口流速差異較大。以上情況會(huì)導(dǎo)致局部地區(qū)積灰嚴(yán)重，煙道磨損加劇，并使進(jìn)入除塵器的三個(gè)煙道流量分布不均。為避免上述情況的發(fā)生，首先考慮利舊原有煙道通過加裝導(dǎo)流板進(jìn)行流場(chǎng)的優(yōu)化（在加裝導(dǎo)流板后始終不能達(dá)到要求時(shí)需要重新設(shè)計(jì)煙道），可以看出，煙道優(yōu)化后，其內(nèi)部整體流場(chǎng)分布比較均勻，三個(gè)出口流速差異減緩，垂直段煙道氣流偏轉(zhuǎn)無法消除，但偏轉(zhuǎn)程度減緩。從計(jì)算結(jié)果得出煙氣到3 個(gè)室的氣量分別為32.8%、33.3%、33.9%，氣量分配相對(duì)均衡。

除塵器進(jìn)口封頭前煙道加裝低溫省煤器后煙氣阻力增加對(duì)除塵器的入口處的煙氣均布有利，但是考慮到煙道尺寸要發(fā)生變化，除塵器進(jìn)口封頭要做相應(yīng)擴(kuò)口改造，導(dǎo)致煙氣走向往不均勻方向發(fā)展，影響除塵效率。

3.2 除塵器進(jìn)出口段

需要重新對(duì)進(jìn)口氣流分布板進(jìn)行設(shè)計(jì)并合理布置導(dǎo)流板。經(jīng)過不斷的調(diào)整導(dǎo)流板的位置，最終的煙氣速度分布云圖、速度矢量圖和氣流分布板布置圖。根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，加裝了進(jìn)口孔板和導(dǎo)流葉片后的進(jìn)口氣流分布板的布置方式，使進(jìn)入電除塵器一電場(chǎng)入口端界面氣流相對(duì)均方根差為0.158，說明該氣流分布板布置方案能夠滿足本工程的改造需要。

3.3 改造后除塵器效果

本工程除塵器改造前經(jīng)過低低溫改造后已投入運(yùn)行，到目前為止尚未進(jìn)行性能測(cè)試。但是從DCS 反映的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出改造后的效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用CFD 模型的計(jì)算方法，通過合理建模，合理設(shè)置邊界條件，可以較準(zhǔn)確的模擬煙道內(nèi)的煙氣流動(dòng)，為改造工程中煙道治理方案制定的正確性進(jìn)行提前的預(yù)判。

（2）目前類似的低低溫改造工程越來越普遍，要想達(dá)到預(yù)期的減排目標(biāo)，除了合理的設(shè)備選型，進(jìn)行氣流模擬試驗(yàn)是非常有必要的。通過流場(chǎng)的優(yōu)化使進(jìn)入各個(gè)低溫省煤器前的氣量進(jìn)行均衡分配、使進(jìn)入除塵器的氣流更加均勻的分布于有效收塵面積中，從而提高各個(gè)設(shè)備的高效率運(yùn)行，最終達(dá)到污染物的超低排放要求。