煙風道布置低溫省煤器流場均勻性分析

張立賢，劉慶鑫

(1.國家能源集團雙鴨山發(fā)電有限公司，黑龍江 雙鴨山 1551002；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116000)

隨著電廠用煤成本不斷升高，火力發(fā)電經(jīng)濟效益下降幅度也越來越大，部分電廠采取不少節(jié)能措施[1]，其中降低鍋爐排煙溫度是常用手段，而在煙風道中增設(shè)低溫省煤器[2-6]是一種比較直接有效的方式，但是由于低溫省煤器是由大量蛇形管組成，高溫煙氣經(jīng)過這些管組換熱效率受流場均勻程度影響很大[7]，因此加裝低溫省煤器之前需要在煙道內(nèi)布置導(dǎo)流板，實現(xiàn)控制流場均勻性的目的，特別是低溫省煤器入口流場均勻性直接影響換熱效率，本文采用計算流體理論對加裝導(dǎo)流板前后煙風道內(nèi)流場速度場分布進行分析，得到合理的導(dǎo)流板布置方案.

實際煙道結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，其中包括了負荷的不穩(wěn)定波動、煙氣攜帶的飛灰顆粒以及其他內(nèi)部支撐鋼架結(jié)構(gòu)等，無法在模擬過程中進行真實還原.因此，研究在滿足工程要求的條件下，為了便于模擬計算，對模擬段煙道系統(tǒng)內(nèi)氣流狀況作如下假設(shè)和簡化：

(1)煙道內(nèi)氣流壓力差較小，流動速度不大，并且溫度差也不大，則實際上煙氣所產(chǎn)生的體積變化也不大，故將模擬段流體視為不可壓縮牛頓體；

(2)計算入口的流場分布和實際的運行狀況及出口氣流分布有關(guān)，在計算過程中，假定進口處速度分布均勻；

(3)在實際煙道模型中，有一些支撐煙道和導(dǎo)流板等的鋼梁部件，在模擬過程中忽略這些對流場影響較小的內(nèi)部構(gòu)造(構(gòu)架，梁等)；

(4)為了使計算結(jié)果更符合實際情況，計算采用多孔介質(zhì)模型簡化低溫省煤器流動域.

1 計算幾何與控制方程

為了改善煙風道內(nèi)流場均勻性，在改造方案中主要在煙氣流向轉(zhuǎn)變位置加裝導(dǎo)流板，具體煙氣出入口和低溫省煤器布置位置，如圖1所示.導(dǎo)流板布置位置情況，如圖2所示.

圖1 計算幾何與邊界條件位置圖2 導(dǎo)流板布置位置

計算流體力學(xué)(CFD)[8-10]是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)之上的一門獨立學(xué)科，通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，并以此預(yù)測流體運動規(guī)律.CFD 方法兼有理論性和實踐性的雙重特點，在CFD中，把流體運動控制方程中的積分、微分項近似地表示為離散的代數(shù)形式，使得積分或微分形式的控制方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組；然后，通過計算機求解這些代數(shù)方程組，從而得到流場在離散的時間和空間點上的數(shù)值解.本文中選用如下數(shù)學(xué)模型[11]，連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)為

(1)

動量方程的表達式為

(2)

煙道內(nèi)的煙氣流動表現(xiàn)為三維湍流反應(yīng)流，因此采用基于k-的雙方程模型對湍流控制方程進行封閉求解，而雷諾平均方程則作為控制方程.

k方程為

(3)

ε方程為

(4)

公式中：Gk為湍流動能；Gb為湍流動能變化則是由浮力引起的；YM為在可壓縮湍流中，過度的擴散產(chǎn)生的波動；C1、C2和C3為常量；湍流動能及其耗散率的普朗特數(shù)由σk、σ來表示；Sε和Sk為自定義量.

換熱器管束內(nèi)部的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜緊湊，要想建立與實際一樣的1：1模型是不可能實現(xiàn)的，而在流場的設(shè)計方面只需考慮其系統(tǒng)壓降，所以我們在合理的假設(shè)下進行簡化，采用多孔介質(zhì)來模擬.其壓降損失模擬為[12]

，

(5)

公式中：Si為i方向上動量源項，Pa/m；μ為流動動力粘度，Pa·s；α為介質(zhì)滲透性；vi為i向速度分量，m/s；ρ為密度，kg/m3；C2為內(nèi)部阻力因子，1/m.

計算對象由水平煙道、低溫省煤器和垂直煙道組成，忽略了連接處的膨脹節(jié)等附屬管件，煙氣流經(jīng)低溫省煤器的煙氣溫度為130 ℃，其入口流速為5.54 m/s，如圖1、圖2所示.

本文采用變異系數(shù)[13]對煙道截面流場和溫度場均勻程度進行定量分析，其計算公式為

CV=(標準偏差SD/平均值Mean)×100%.

(6)

2 計算結(jié)果

加裝導(dǎo)流板前后的壓力分布情況，如圖3所示.計算結(jié)果表明，加裝導(dǎo)流板前后，計算區(qū)域壓降變化不大，說明加設(shè)導(dǎo)流板不會提高煙氣阻力，滿足設(shè)計壓降需求.

改造前后煙風道整體速度分布與煙氣流線情況，如圖4所示.計算結(jié)果表明，加裝導(dǎo)流板前流場速度分布存在明顯的高低速區(qū)域，特別是在低溫省煤器入口位置，表現(xiàn)出中心區(qū)域流速過高的現(xiàn)象，低溫省煤器入口速度分布情況，如圖5所示.因此，這樣的分布情況不利于換熱，也會加大管壁面磨損的可能.加設(shè)導(dǎo)流板后，煙氣在導(dǎo)流板的作用下發(fā)生流向的改變，在低溫省煤器入口位置的速度場分布的均勻性得到明顯改善.

改造前后煙風道整體溫度分布情況，如圖6所示.計算結(jié)果表明，加裝導(dǎo)流板前，低溫省煤器上下部溫度出現(xiàn)分層明顯的現(xiàn)象，在低溫省煤器入口位置，也表現(xiàn)出溫度場相對分布均勻的現(xiàn)象，如圖7所示.加設(shè)導(dǎo)流板后，在低溫省煤器入口位置的溫度場分布的均勻性得到明顯改善.

低溫省煤器入口截面流場均勻程度不但直接影響低溫省煤器的換熱效率.而且還會影響低溫省煤器磨損壽命，通過添加導(dǎo)流板前后，低溫省煤器入口溫度與流場變異系數(shù)計算結(jié)果，如表1所示.

表1 改造前后低溫省煤器入口截面溫度與速度對比

結(jié)果表明：改造前后對低溫省煤器入口截面的溫度場影響不明顯，但對流場速度影響明顯，改后低溫省煤器入口截面速度變異系數(shù)均小于15%，滿足設(shè)備設(shè)計要求.

3 結(jié) 論

本文將低溫省煤器區(qū)域考慮為多孔介質(zhì)，實現(xiàn)對計算過程的合理簡化，采用數(shù)值模擬手段對加設(shè)導(dǎo)流板前后流場和溫度場進行計算對比.結(jié)果表明：在原煙風道中增加低溫省煤器會影響原始煙風道內(nèi)的流場，而通過合理布置導(dǎo)流板的方式能夠在不大幅度提高流阻的前提下，使得低溫省煤器入口位置煙氣溫度場和速度場的均勻性得到有效改善，能夠為后期改造工作提供理論參考，降低工程實驗成本和施工設(shè)計成本.