基于數(shù)值模擬的鍋爐冷風(fēng)道流場均勻性優(yōu)化

朱少春

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司電站分公司， 上海 201100)

電站鍋爐風(fēng)道內(nèi)流場的均勻性對機(jī)組運(yùn)行和設(shè)備使用有著重要的影響。如果流場分布極度不均，將嚴(yán)重影響流場內(nèi)換熱設(shè)備的使用效果[1]，并導(dǎo)致風(fēng)道振動；而通過在風(fēng)道內(nèi)合理布置導(dǎo)流板可以明顯改善流場的均勻性，提高換熱器使用效果，同時減小風(fēng)道振動[2-9]。因此，針對不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)道，研究并設(shè)計合理的導(dǎo)流板以優(yōu)化流場均勻性是十分重要的。筆者基于某海外330 MW燃油(氣)電廠暖風(fēng)器換熱效果達(dá)不到設(shè)計值的實際情況，采用FLUENT軟件對送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，證實了風(fēng)道內(nèi)流場嚴(yán)重不均、風(fēng)道上部存在較大回流區(qū)。為了改善流場的均勻性，須在送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道加裝導(dǎo)流板，對導(dǎo)流板安裝高度分別為635 mm和953 mm以及安裝角度分別為10°和15°的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)加裝導(dǎo)流板可以明顯改善送風(fēng)機(jī)出口流場的均勻性，并確定了首選方案，為后續(xù)改造提供了理論依據(jù)。

1 送風(fēng)機(jī)出口楔形風(fēng)道布置

該電廠送風(fēng)機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)出口為楔形風(fēng)道(見圖1)，風(fēng)道內(nèi)部未布置導(dǎo)流板，風(fēng)道出口緊湊布置二次風(fēng)暖風(fēng)器，暖風(fēng)器出口通過水平風(fēng)道和矩形彎頭連接至空氣預(yù)熱器入口。

根據(jù)自然射流的特點[10]，射流夾角一般在10°～12°，而筆者研究的送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道單側(cè)夾角為20°，據(jù)此可以初步判斷該風(fēng)道內(nèi)流場充滿度較低、均勻性較差。同時，該風(fēng)道與常見的對稱布置的喇叭形風(fēng)道不同，是非對稱布置的楔形風(fēng)道，導(dǎo)致經(jīng)送風(fēng)機(jī)加壓后的二次風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道時形成偏心射流，而根據(jù)偏心射流的特點[11]，可以進(jìn)一步判斷該風(fēng)道內(nèi)流場上部會形成較大的回流區(qū)。

圖1 送風(fēng)機(jī)出口楔形風(fēng)道縱向截面示意圖

2 未布置導(dǎo)流板的風(fēng)道內(nèi)流場模擬

筆者采用數(shù)值模擬方法對送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道內(nèi)流場進(jìn)行計算，計算區(qū)域為楔形風(fēng)道入口至與其連接的水平風(fēng)道出口。為了簡化模型，考慮到風(fēng)道橫向的對稱性，選取風(fēng)道縱向截面為研究對象，建立二維模型。為了便于后續(xù)分析，建模時選擇送風(fēng)機(jī)出口至暖風(fēng)器入口的水平方向為X軸正向，自下而上的豎直方向為Y軸正向，送風(fēng)機(jī)出口位于x=0 m處，暖風(fēng)器入口位于x=5.7 m處。

2.1 確定物理模型和計算輸入

數(shù)值模擬采用FLUENT計算軟件，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[12-13]：

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；x為X方向坐標(biāo)，m；y為Y方向坐標(biāo)，m；u為X方向速度，m/s；v為Y方向速度，m/s；φ為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項。

因為二次風(fēng)流速為49.8 m/s，小于當(dāng)?shù)匾羲俚?0%，故可忽略流動的壓縮性，將其作為不可壓縮流動處理[12]。數(shù)值計算入口邊界條件選擇速度入口，出口邊界條件選擇壓力出口，采用基于壓力基的耦合式算法，各變量采用二階離散[14-15]。經(jīng)過網(wǎng)格劃分并進(jìn)行無關(guān)性驗證，確定最終采用網(wǎng)格數(shù)為47 266即可滿足計算要求。數(shù)值計算收斂的判據(jù)為各物理量殘差小于10-3，且流場出口截面上流量穩(wěn)定。

2.2 計算結(jié)果分析

圖2為風(fēng)道內(nèi)速度分布云圖。由圖2可以看出：因風(fēng)道夾角過大，二次風(fēng)主要沿著風(fēng)道下部流動，對上部擾動較小，故風(fēng)道內(nèi)流場呈現(xiàn)下部流速高、上部流速低的特點，風(fēng)道豎直方向速度分布極度不均。

圖2 風(fēng)道內(nèi)速度分布云圖

圖3和圖4分別為風(fēng)道內(nèi)X方向分速度分布云圖和流場軌跡線圖。由圖3、圖4可以看出：在風(fēng)道上部存在明顯的回流區(qū)，即該區(qū)域X方向分速度為負(fù)值。

圖3 風(fēng)道內(nèi)X方向分速度分布云圖

圖4 風(fēng)道內(nèi)流場軌跡線圖

為了進(jìn)一步研究暖風(fēng)器入口處流場情況，選擇x=5.7 m處為研究對象。圖5為暖風(fēng)器入口處沿著豎直方向二次風(fēng)X方向分速度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)在y=0～2.8 m，X方向分速度為正值，在y=2.8～4.0 m，X方向分速度為負(fù)值，即暖風(fēng)器入口存在明顯的回流區(qū)，且回流區(qū)長度達(dá)1.2 m，占入口總高度的30%。

圖5 x=5.7 m處X方向分速度變化曲線

上述計算結(jié)果與對送風(fēng)機(jī)出口楔形風(fēng)道內(nèi)流場的初步判斷基本一致，即風(fēng)道內(nèi)流場極度不均且存在明顯的回流區(qū)，在暖風(fēng)器入口處回流區(qū)更是高達(dá)30%，使得暖風(fēng)器上部無法得到充分的利用，大大減小了暖風(fēng)器的有效換熱面積，成為影響二次風(fēng)溫升的重要原因，同時，流場不均也加劇了風(fēng)道的振動。

3 導(dǎo)流板布置方案

為了減小流場不均對暖風(fēng)器正常使用和風(fēng)道振動的影響，必須改善風(fēng)道內(nèi)尤其是暖風(fēng)器入口處流場的均勻性，為此須在風(fēng)道內(nèi)部加裝導(dǎo)流板?？紤]到電廠實際情況，在方便測量與焊接的前提下，導(dǎo)流板不宜太大，選取長度為2.85 m的導(dǎo)流板，通過調(diào)整安裝標(biāo)高和安裝角度兩個變量來進(jìn)行計算和比較。首先，通過對比導(dǎo)流板加裝在標(biāo)高y=635 mm(送風(fēng)機(jī)出口高度1/3)和y=953 mm(送風(fēng)機(jī)出口高度1/2)處的流場情況，確定導(dǎo)流板加裝的位置；其次，通過對比導(dǎo)流板加裝角度為10°(楔形風(fēng)道夾角的1/2)和15°(楔形風(fēng)道夾角的2/3)時的流場情況，確定導(dǎo)流板加裝的角度；最終，綜合上述結(jié)果確定導(dǎo)流板最終應(yīng)加裝的位置和角度。以上方案與未布置導(dǎo)流板的方案(方案1)共形成4套方案，其簡要描述見表1。

表1 導(dǎo)流板布置方案匯總表

3.1 不同方案下流場的定性比較

圖6～圖8分別為4套方案下風(fēng)道內(nèi)二次風(fēng)速度分布云圖、X方向分速度分布云圖和流場軌跡線圖。對比方案1和其他方案，可以發(fā)現(xiàn)加裝導(dǎo)流板后人為地將大夾角的風(fēng)道分為上下兩個小夾角的風(fēng)道，故風(fēng)道內(nèi)流場發(fā)生了明顯的改變，二次風(fēng)對風(fēng)道上部擾動加強(qiáng)，上部流速明顯增大，據(jù)此初步判斷加裝導(dǎo)流板可有利于改善流場均勻性。對比方案2和方案3，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)流板布置位置較低時，流場上部高速區(qū)域明顯增多，但上部回流區(qū)也更大，據(jù)此定性判斷導(dǎo)流板布置在較高處流場均勻性應(yīng)更好。對比方案3和方案4，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)增大導(dǎo)流板安裝角度時，流場上部高速區(qū)域無明顯變化，上部回流區(qū)縮小，但是在導(dǎo)流板下部出現(xiàn)了新的回流區(qū)，這主要是因為下部小風(fēng)道夾角為15°，大于自然射流夾角，據(jù)此定性判斷導(dǎo)流板角度為10°時，流場均勻性應(yīng)更好。

圖6 方案1～4下風(fēng)道內(nèi)速度分布云圖

圖7 方案1～4下風(fēng)道內(nèi)X方向分速度分布云圖

圖8 方案1～4下風(fēng)道內(nèi)流場軌跡線圖

3.2 不同方案下流場的定量分析

為了對不同方案下的流場均勻性進(jìn)行定量分析，選擇暖風(fēng)器入口處，即x=5.7 m處的速度變化曲線為研究對象進(jìn)行比較。圖9為方案1～4下暖風(fēng)器入口處沿著豎直方向二次風(fēng)X方向分速度變化曲線。由圖9可以看出：加裝導(dǎo)流板后，暖風(fēng)器入口上部區(qū)域X方向分速度得到明顯提高、流場均勻性得到明顯改善；方案1～4下風(fēng)道上部均出現(xiàn)了回流區(qū)，回流區(qū)長度依次為1.2 m、0.8 m、0.5 m、0.3 m，占入口總高度的比例依次為30%、20%、12.5%、7.5%。雖然方案4在暖風(fēng)器入口處回流區(qū)小于方案3，但是方案4在導(dǎo)流板下部出現(xiàn)了新的回流區(qū)，流場的整體均勻性不如方案3，易加劇風(fēng)道振動，故方案3更優(yōu)。

圖9 方案1～4下x=5.7 m處X方向分速度變化曲線對比

對整個風(fēng)道內(nèi)和暖風(fēng)器入口處速度大小的標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行計算和比較，結(jié)果見表2。由表2可以看出：方案3不論是整個風(fēng)道內(nèi)還是暖風(fēng)器入口處，其速度大小的標(biāo)準(zhǔn)方差均最小，再次證明方案3下流場均勻性更好。

表2 方案1～4下速度標(biāo)準(zhǔn)方差匯總表 m/s

3.3 最優(yōu)方案的確定

結(jié)合以上定性和定量分析，可以得出結(jié)論：當(dāng)導(dǎo)流板加裝標(biāo)高為y=953 mm、角度為10°時，流場均勻性更好，應(yīng)為首選方案。電廠根據(jù)該方案在送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道加裝導(dǎo)流板后，測得二次風(fēng)溫升為61 K左右(改造前為50 K)，接近設(shè)計值，同時風(fēng)道振動也有一定程度減弱。

4 結(jié)語

筆者對送風(fēng)機(jī)出口楔形風(fēng)道的特點進(jìn)行分析，初步判斷風(fēng)道內(nèi)流場嚴(yán)重不均且風(fēng)道上部存在回流區(qū)；通過數(shù)值模擬方法對未布置導(dǎo)流板時的風(fēng)道流場進(jìn)行計算，結(jié)果顯示風(fēng)道內(nèi)和暖風(fēng)器入口處二次風(fēng)速度的標(biāo)準(zhǔn)方差分別為19.6 m/s和20.0 m/s，且暖風(fēng)器入口存在占總流通面積30%的回流區(qū)，驗證了流場的不均勻性；通過對不同導(dǎo)流板布置方案下的流場進(jìn)行定性和定量分析，確定導(dǎo)流板加裝標(biāo)高為y=953 mm、角度為10°時，流場均勻性更好，風(fēng)道內(nèi)和暖風(fēng)器入口處二次風(fēng)速度的標(biāo)準(zhǔn)方差分別減小至14.4 m/s和13.1 m/s，暖風(fēng)器入口回流區(qū)減小至總流通面積的12.5%，能夠明顯提高二次風(fēng)溫升，并一定程度減弱風(fēng)道振動。

電廠根據(jù)該方案進(jìn)行改造并取得了很好的效果，充分說明了流場均勻性的重要性，后續(xù)工程項目中應(yīng)在設(shè)計初期就加強(qiáng)對風(fēng)道均勻性的計算，必要時引入數(shù)值模擬手段，以避免工程建設(shè)過程中再進(jìn)行改造。