引風(fēng)機前后煙道氣流擾動問題研究

任仰成

（山西魯能河曲發(fā)電有限公司，山西 忻州 036500 ）

0 引言

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，大部分電廠進(jìn)行了超低排放改造。許多電廠在新增設(shè)備時，因場地空間局限，煙道連接復(fù)雜，煙道設(shè)計不滿足設(shè)計規(guī)程［1］。由此導(dǎo)致煙道內(nèi)部煙氣流場失衡，造成氣流對沖、流動不對稱，氣流脈動等問題，最終造成煙道及設(shè)備的振動［2］。引風(fēng)機安裝在鍋爐煙道除塵器和脫硫塔之間，將燃燒產(chǎn)生的煙氣抽出后排入煙囪，其前后煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計對兩臺并聯(lián)風(fēng)機的運行狀態(tài)造成顯著影響［3］。

某600 MW 機組引風(fēng)機振動，氣流產(chǎn)生異聲問題，通過振動測試分析和引風(fēng)機熱態(tài)試驗分析，采用CFD 軟件對電除塵器到引風(fēng)機段煙道、引風(fēng)機到脫硫入口段煙道進(jìn)行模擬，加裝導(dǎo)流板，消除氣流的擾動，降低煙道局部阻力。

1 機組情況

為響應(yīng)國家環(huán)保政策，對某機組進(jìn)行超凈環(huán)保改造。改造后除塵器前增設(shè)煙冷器，原有布袋除塵器改造為電除塵器，并對其進(jìn)出口煙道布置方式進(jìn)行了改變，這使得引風(fēng)機入口煙道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如圖1 所示。

圖1 引風(fēng)機入口煙道改造前后布置方式

改造后自機組啟動開始，引風(fēng)機發(fā)生在高負(fù)荷情況下振動超標(biāo)的現(xiàn)象，限制了機組帶負(fù)荷的能力。為查明振動原因，對其引風(fēng)機及煙道進(jìn)行振動測試。測試結(jié)果表明：1）進(jìn)口煙道頻率表現(xiàn)為低頻振動（9.16 Hz），該頻率為煙道本體的固有頻率；2）風(fēng)機機殼及擴壓筒附近測點頻譜能量顯示，能量尖峰多集中在葉片通過頻率（273 Hz）的1 倍頻和2 倍頻上，這顯示該振動明顯和氣流脈動或者氣流激振有關(guān)；3）機殼上還存在轉(zhuǎn)速基頻（12.4 Hz）的能量尖峰，而B 側(cè)煙道上能量則主要集聚在轉(zhuǎn)速基頻上，該現(xiàn)象是由于風(fēng)機進(jìn)、出口煙道布置不合理造成的。針對上述分析，需要對引風(fēng)機入口煙道和出口煙道進(jìn)行優(yōu)化。

2 數(shù)值計算分析

2.1 引風(fēng)機入口煙道計算分析

采用CFD 軟件進(jìn)行煙道流場分析。根據(jù)提供的圖紙按照1∶1 比例建立幾何模型，計算范圍為電除塵出口到引風(fēng)機入口，由于兩側(cè)除塵器出口煙道對稱布置，本文僅對單側(cè)進(jìn)行分析。計算入口為電除塵出口煙道截面，采用Velocity-inlet，計算出口為引風(fēng)機入口截面采用Pressure-outlet，煙道壁面、導(dǎo)流板等均采用壁面邊界［4-5］。選取截面1 和截面2 進(jìn)行分析，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，煙道1、煙道2、煙道3 內(nèi)煙氣匯流后進(jìn)入引風(fēng)機，煙道1 內(nèi)煙氣流動受到煙道2內(nèi)煙氣的抑制，流動受阻形成渦流。3 個分煙道在豎直大煙道匯流，但煙氣匯流段煙道內(nèi)沒有相應(yīng)的流場優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使得豎直煙道兩側(cè)的煙氣發(fā)生強烈的相互干擾，匯流處兩側(cè)煙氣流量不對稱，煙氣流動方向雜亂，互相沖撞、擠壓，局部形成渦流。這不僅會使煙氣流動阻力顯著增大，且渦流的存在會造成煙道結(jié)構(gòu)的低頻振動以及流動過程中出現(xiàn)異音。煙氣流場紊亂，氣流脈動導(dǎo)致風(fēng)機葉片受不均衡的氣流沖擊發(fā)生氣流激振，造成風(fēng)機振動。

圖2 優(yōu)化前引風(fēng)機入口煙道流場分析

2.2 引風(fēng)機出口煙道計算分析

采用CFD 軟件進(jìn)行煙氣流場分析。根據(jù)提供的圖紙按照1∶1 比例建立幾何模型，計算范圍為引風(fēng)機出口到脫硫入口，計算入口為兩臺引風(fēng)機出口煙道截面，采用Velocity-inlet，計算出口為脫硫入口煙道截面，采用Pressure-outlet，煙道壁面、導(dǎo)流板等均采用壁面邊界。模型如圖3 所示，選取截面1 和截面2 進(jìn)行分析，如圖4 所示。

煙道1 內(nèi)氣流自引風(fēng)機出口經(jīng)過折轉(zhuǎn)—截面突擴到達(dá)水平匯流煙道，煙道2 內(nèi)氣流同樣經(jīng)過折轉(zhuǎn)后到達(dá)水平匯流煙道，水平煙道連接脫硫入口煙道。從圖4 可以看出，由于匯流處煙道結(jié)構(gòu)不對稱，兩股煙氣會發(fā)生強烈的相互干擾、沖撞、擠壓，出現(xiàn)較大的渦流區(qū)，使實際通流面積遠(yuǎn)小于煙道截面積，煙氣在流經(jīng)這些位置的過程中速度重新分布引起的加速或減速以及介質(zhì)煙氣質(zhì)點間劇烈碰撞的動量交換等引起能量損失，增加流動的不穩(wěn)定性，影響引風(fēng)機的正常運行。脫硫入口煙道截面比水平匯流煙道小，兩股煙氣在水平煙道內(nèi)匯流后流向脫硫入口煙道時發(fā)生流動截面突縮和氣流轉(zhuǎn)向，造成折轉(zhuǎn)處出現(xiàn)渦流［6-7］。

圖3 引風(fēng)機出口煙道模型

圖4 優(yōu)化前引風(fēng)機出口煙道流場分析

3 煙道優(yōu)化改造

3.1 引風(fēng)機入口煙道流場優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計結(jié)合實際情況進(jìn)行，針對引風(fēng)機入口煙道存在的問題提出以下解決方案：在水平煙道內(nèi)加裝分隔板，使煙道1 和煙道2 內(nèi)氣流分隔開，避免氣流間的相互壓制；在三通煙道處添加分隔板，消除氣流對沖產(chǎn)生的渦流和流動不穩(wěn)定的問題；在煙道轉(zhuǎn)向處加裝導(dǎo)流板，緩解因折轉(zhuǎn)段造成的煙氣流場紊亂，煙道阻力大的問題。引風(fēng)機入口煙道加裝導(dǎo)流板示意如圖5 所示。

圖5 煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板示意

圖6 為優(yōu)化后引風(fēng)機入口煙道流場，從圖6 可以看出，優(yōu)化后消除了煙道1 和煙道2 之間兩股煙氣的相互壓制和匯流處煙氣的相互沖撞，煙道內(nèi)無渦流。本次優(yōu)化可使引風(fēng)機入口段煙道內(nèi)煙氣流動均勻，消除因流動過程中氣流不均勻造成的異音和煙道低頻振動問題，同時優(yōu)化后，氣流平穩(wěn)的進(jìn)入導(dǎo)葉，可減輕氣流不穩(wěn)定造成的脈動和激振。

圖6 優(yōu)化后引風(fēng)機入口煙道流場

3.2 引風(fēng)機出口煙道流場優(yōu)化

針對引風(fēng)機出口到脫硫入口段煙道布置及結(jié)構(gòu)存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：1）在流體運動方向發(fā)生變化處安裝適當(dāng)形狀的導(dǎo)流板，避免在彎頭的內(nèi)外側(cè)出現(xiàn)大范圍的渦流區(qū)；2）煙道截面突擴的區(qū)域采用逐漸變徑，平緩過渡的方式；3）在煙道內(nèi)部添加隔斷板，將煙道分為左右兩部分，減小兩側(cè)引風(fēng)機出口煙氣之間的干擾，使兩臺并聯(lián)運行的引風(fēng)機運行環(huán)境相對隔離，解決原有方案中存在的問題。煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板示意如圖7 所示。

圖8 為優(yōu)化后引風(fēng)機出口煙道流場，從圖8 可以看出，優(yōu)化后煙道內(nèi)流場分布均勻，折轉(zhuǎn)彎頭處添加導(dǎo)流板后減少了二次流的產(chǎn)生和對彎頭后煙道內(nèi)煙氣流場的影響［8］。引風(fēng)機出口煙道逐漸過渡優(yōu)化后，緩解因煙道截面突擴和截面突縮引起的煙氣流場紊亂。兩臺引風(fēng)機出口煙道加裝分隔板后，煙氣平穩(wěn)均勻過渡，避免因兩臺引風(fēng)機出口的氣流相互壓制而造成的并聯(lián)引風(fēng)機振動問題。優(yōu)化后脫硫塔入口截面速度分布較為均勻，有利于煙氣在脫硫塔內(nèi)均勻擴散，使得脫硫塔內(nèi)煙氣與漿液混合充分。

圖7 煙道內(nèi)加裝導(dǎo)流板示意

圖8 優(yōu)化后引風(fēng)機出口煙道流場

4 改造后運行情況

機組停爐期間安裝導(dǎo)流板后投入運行，在各個負(fù)荷下，引風(fēng)機運行穩(wěn)定。對比相同負(fù)荷下（滿負(fù)荷600 MW），引風(fēng)機的振動值由5 mm／s 降低為2 mm／s。煙道異音由90 dB 以上降為50 dB 以下，尾部煙道整體阻力降低249 Pa。本次改造保證設(shè)備的正常運行，并降低了運行能耗。改造前后參數(shù)比較如表1 所示。

表1 改造前后參數(shù)比較

5 結(jié)語

采用CFD 計算流體力學(xué)軟件對引風(fēng)機出入口煙道流場進(jìn)行模擬分析，找出了煙道內(nèi)氣流擾動問題的根源，消除引風(fēng)機設(shè)備振動偏大等異常現(xiàn)象，同時降低尾部煙道阻力，降低運行能耗，保障機組的安全可靠運行。