流線型技術(shù)降低脫硫塔煙道阻力的研究

陳曉雷

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建龍巖 364000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對環(huán)保要求越趨嚴(yán)苛，電廠原有的環(huán)保設(shè)備已無法滿足排放要求，需要實(shí)施新一輪的超低排放改造，內(nèi)容包括低氮燃燒改造、脫硫提效、煙氣脫硝改造、低低溫改造、新增GGH 設(shè)備等。一系列設(shè)備改造過程中，最直接的影響是煙道系統(tǒng)阻力劇增，原有風(fēng)機(jī)無法帶動(dòng)機(jī)組煙風(fēng)系統(tǒng)工況下滿負(fù)荷運(yùn)行［1-4］。電廠為保證燃煤系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，只能進(jìn)行引增合一或風(fēng)機(jī)擴(kuò)容改造。雖然風(fēng)機(jī)改造后克服了系統(tǒng)阻力，但是風(fēng)機(jī)電耗隨之增加，廠耗電量明顯增加，電廠用電率無法得到有效控制［5］。

某燃煤熱電廠1，2 號機(jī)組依次進(jìn)行了脫硫提效、石膏雨治理以及新增GGH 改造。各項(xiàng)改造完成后，污染物排放已達(dá)標(biāo)，但各次改造之間缺乏協(xié)調(diào)統(tǒng)一，煙道連接布置未考慮整體氣流阻力影響。第三方測試單位對1 號爐煙氣系統(tǒng)阻力進(jìn)行測試，結(jié)果表明，煙道阻力過高，機(jī)組無法滿負(fù)荷運(yùn)行。同時(shí)，改造后2臺機(jī)組的平均供電煤耗為322.63 g/kW·h，與國家標(biāo)準(zhǔn)要求有較大差距。基于現(xiàn)場測試和CFD 數(shù)值模擬分析后，決定采用流線型低阻煙道技術(shù)對1，2 號爐脫硫塔出口至煙囪煙道段進(jìn)行改造以降低煙道阻力。

2 項(xiàng)目概況

2.1 機(jī)組概況

本項(xiàng)目熱電廠2×300 MW 機(jī)組配套鍋爐采用東方鍋爐制造的DG1025/17.4－II6 型鍋爐。鍋爐為亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛п 型布置，燃用煙煤，一次再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)，爐頂帶金屬防雨罩。機(jī)組年運(yùn)行7 000 h。

2012 年該熱電廠進(jìn)行了增壓風(fēng)機(jī)旁路煙道改造，2014 年1，2 號機(jī)組進(jìn)行脫硫提效及石膏雨治理，2015 年后進(jìn)行增引合一和超低排放改造。鍋爐至煙囪系統(tǒng)工藝布置見圖1。

圖1 鍋爐尾部系統(tǒng)煙氣流程

2.2 存在問題

電廠通過以上改造后，煙囪排放滿足了國家環(huán)保要求，但系統(tǒng)阻力急劇增加，同時(shí)煙道壁板出現(xiàn)異常振動(dòng)。特別是超低排放改造中，由于脫硫吸收塔抬高，新增GGH 后，因煙囪入口位置無法變動(dòng)，造成GGH 煙道出口從50 m 左右降至20 m 進(jìn)入煙囪，中間煙道的連接布置極不合理。該段煙道長度約55 m，設(shè)置了5 個(gè)90 °彎頭，增引合一風(fēng)機(jī)至最大負(fù)荷時(shí)，該段煙道阻力達(dá)到1 376 Pa，同時(shí)GGH 本體及連接煙道出現(xiàn)較大幅度振動(dòng)問題。

2.3 原因分析

1，2 號爐脫硫塔GGH 出口至煙囪入口之間的連接煙道存在以下布置問題。

2.3.1 脫硫塔后端煙道彎頭設(shè)置不合理

脫硫塔GGH 凈煙氣出口煙道至煙囪入口中心長度僅55 m 的煙道共有A，B，C，D，E（見圖2）5 個(gè)連續(xù)急轉(zhuǎn)彎頭，并且彎頭內(nèi)部未設(shè)置導(dǎo)流板。通過CFD 數(shù)值模擬分析，彎頭處及附近煙氣渦流嚴(yán)重，并在彎頭根部形成氣流死區(qū)，實(shí)際斷面流速極大增加，造成局部彎頭實(shí)際阻力遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值。

圖2 改造前脫硫塔后端凈煙道示意

2.3.2 煙道內(nèi)撐桿結(jié)構(gòu)密集

脫硫塔后端凈煙道長度約55 m，煙道內(nèi)密集布置2 種共計(jì)33 列不同類型的內(nèi)撐桿。

該熱電廠內(nèi)撐桿采用圓鋼焊管，焊管兩端與壁板之間通過連接板焊接相連，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上的要求，連接板尺寸較大，其中支點(diǎn)相同的支撐必須通過一塊完整的連接板做連接，同時(shí)布置方向與煙氣流向垂直。這樣雖然滿足了煙道支撐受力要求，但是煙氣在經(jīng)過內(nèi)撐桿和連接板時(shí)，與其發(fā)生大面積碰撞，產(chǎn)生擾流和二次流，增大了煙道阻力。

3 解決方案

3.1 技術(shù)措施及原理

針對以上問題，研究采用流線型低阻煙道方案對脫硫塔GGH 出口端至煙囪入口端進(jìn)行改造。流線型煙道技術(shù)是利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，采用CFD 數(shù)值模擬方法，盡量將與氣體接觸的表面曲線設(shè)計(jì)得更光滑、圓潤及流暢，以改變或引導(dǎo)氣流，使氣流更容易地通過道體，從而達(dá)到減少沿程阻力、降低道體振動(dòng)、增強(qiáng)氣流穩(wěn)定性的目的［6-8］。

3.2 改造前煙道分析

該熱電廠鍋爐GGH 出口煙氣量為1 472 428 m3/h、煙溫80 ℃，按照1∶1 的比例建立三維實(shí)體模型，模擬范圍從脫硫塔至煙囪入口，見圖3。

脫硫塔凈煙道系統(tǒng)的流動(dòng)為三維湍流，需建立適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ?，本?xiàng)目采用在工程上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)k－ε 模型，SIMPLE 算法?；痉匠虨檫B續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。首先，對GGH 單元內(nèi)各個(gè)模塊的流場進(jìn)行模擬分析，并確定阻力系數(shù)；其次，再對整個(gè)GGH 流場進(jìn)行模擬分析，確定其流動(dòng)特性及參數(shù)；最后，對整個(gè)系統(tǒng)流場（脫硫塔后煙氣系統(tǒng)）進(jìn)行模擬分析。

對改造前GGH 出口后凈煙道段采用1∶1 三維實(shí)體建模并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，經(jīng)過CFD 數(shù)值模擬計(jì)算出整段煙道改造前阻力為1 298 Pa，與實(shí)際測試值1 376 Pa 相近。CFD 模擬壓力場圖見圖4。

圖4 壓力場云圖

3.3 改造方案

工程2 臺機(jī)組脫硫凈煙道段的流線型煙道改造，主要針對脫硫塔出口GGH 后端至煙囪入口間的55 m 煙道，主要改造內(nèi)容包括2 個(gè)方面。

（1）煙道改彎取直，減少彎頭，增加彎道轉(zhuǎn)彎半徑。優(yōu)化后的煙道布置見圖5。首先，延長彎頭E 至彎頭A 連接段長度，緩和變徑段對流場的影響；其次，改變向下變向彎頭A 方向至向左，同時(shí)優(yōu)化其轉(zhuǎn)彎外徑；最后，刪除彎頭B，C，D，采用鈍角彎頭B’和鈍角彎頭C’連接整段煙道，保留煙囪入口段膨脹節(jié)。最終優(yōu)化后煙道長度42 m，比原始煙道縮短13 m。

圖5 優(yōu)化后脫硫凈煙道示意

（2）采用流線型導(dǎo)流板，減少內(nèi)撐桿數(shù)量。彎頭E 和彎頭A 均為90 °急轉(zhuǎn)變截面彎頭，設(shè)計(jì)不合理，渦流效應(yīng)明顯，在采用流線型煙道對整個(gè)彎頭整改的同時(shí)，在煙道內(nèi)部增加流線型導(dǎo)流板。同時(shí)，優(yōu)化彎頭A 轉(zhuǎn)彎外徑。因流線型導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性與一定的強(qiáng)度，經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，可以代替該部分彎頭部分內(nèi)撐桿。煙道內(nèi)部優(yōu)化方案詳見圖6。

圖6 煙道內(nèi)部優(yōu)化方案示意

通過流線型煙道優(yōu)化可消除煙氣渦流及煙氣死區(qū)，降低阻力，減少風(fēng)機(jī)電耗，達(dá)到電廠整體節(jié)能減排的目的。

3.4 CFD 數(shù)值模擬

流線型煙道優(yōu)化后，再次對該段煙道模型進(jìn)行了CFD 數(shù)值模擬計(jì)算，模擬計(jì)算的阻力場云圖見圖7。從CFD 模擬計(jì)算分析中，可確定采用流線型煙道方案，阻力大幅降低。整段GGH 出口煙道至煙囪間阻力值由原實(shí)測值1 376 Pa 降低至182 Pa，阻力降低86.8%。原因是流線型煙道設(shè)計(jì)將煙道內(nèi)渦流、回流以及煙氣死區(qū)消除，同時(shí)對煙道內(nèi)撐進(jìn)行優(yōu)化，使流場分布更加均勻，因此可以預(yù)期改造后增壓風(fēng)機(jī)至脫硫入口段煙道阻力將大幅下降。

圖7 煙道優(yōu)化后阻力場云圖

4 工程改造效果

4.1 性能測試

按如上方案對該電廠脫硫塔GGH 后端至煙囪段煙道進(jìn)行流線型改造，重新投運(yùn)后，從電廠DCS系統(tǒng)監(jiān)測的運(yùn)行阻力數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化效果明顯，機(jī)組得以滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。第三方測試單位在機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷為285 MW 時(shí)對2 號爐GGH 出口煙道進(jìn)行了阻力測試，測試結(jié)果見表1。從表1 數(shù)據(jù)可看出，采用流線型低阻煙道技術(shù)對脫硫塔出口GGH 至煙囪間煙道改造后，阻力值從原來的1 376 Pa 下降至190.2 Pa，下降了86.2%。

表1 煙氣阻力檢測結(jié)果

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

脫硫塔GGH 出口至煙囪間的煙道進(jìn)行流線型優(yōu)化改造后，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷為285 MW 時(shí)，煙氣系統(tǒng)阻力實(shí)際降低1 186 Pa，根據(jù)電廠風(fēng)機(jī)的性能曲線計(jì)算，單臺風(fēng)機(jī)電耗降低值為402 kW。

按照電廠鍋爐年運(yùn)行7 000 h，電價(jià)0.4 元/kW·h計(jì)算，則單臺風(fēng)機(jī)每年節(jié)約電耗費(fèi)用約112.6 萬元，相當(dāng)于每年為電廠節(jié)約1 776.9 t 煤耗（按標(biāo)煤單價(jià)633.46 元/t 計(jì)算）。

5 結(jié)論

各燃煤電廠都在為系統(tǒng)設(shè)備升級與節(jié)能減排而努力，而降低煙道阻力是切實(shí)可行的方式之一。本文采用流線型低阻煙道技術(shù)，結(jié)合CFD 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，開展了流線型煙道的工程改造。通過該方法成功消除原煙道內(nèi)存在的煙氣渦流和流場死區(qū)，改善了煙道斷面的流場分布均勻性，極大地降低了煙道阻力，提升了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)解決了GGH 本體及連接煙道的振動(dòng)問題。其中，第三方測試單位測試結(jié)果與CFD 模擬結(jié)果對比，運(yùn)行工況及測試條件與CFD 模擬工況基本相符，采用流線型低阻煙道技術(shù)對原煙道優(yōu)化后，通過CFD 數(shù)值模擬計(jì)算出整段煙道阻力為182 Pa，與實(shí)測值190.2 Pa非常接近，說明CFD 模擬結(jié)果具有可信的參考價(jià)值。

從本文數(shù)值模擬結(jié)果及工程應(yīng)用檢測報(bào)告的結(jié)果對比來看，無論是流場分布，還是煙風(fēng)道阻力，流線型煙風(fēng)道更優(yōu)于常規(guī)煙風(fēng)道，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置并不復(fù)雜，有利于降低電廠耗電率，符合國家節(jié)能減排的要求。