某DN 1 500煙氣擋板流量特性的數(shù)值模擬*

王戰(zhàn)鋒，樊 樺

(1. 陜西商洛發(fā)電有限公司，陜西 商洛 726000；2. 西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

煙氣擋板作為電站鍋爐的主要輔助設(shè)備，以其調(diào)溫幅度大、操作安全可靠和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外鍋爐制造廠廣泛采用[1].鍋爐尾部煙道豎井通常采用隔墻分為前后兩部分，煙氣擋板往往設(shè)置在分煙道底部，用來(lái)調(diào)節(jié)前后兩部分的煙氣質(zhì)量流量，降低主蒸汽和再熱蒸汽之間或一、二次再熱蒸汽之間的溫度差值，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[2-4].改變煙氣擋板開度能夠快速調(diào)節(jié)主蒸汽和再熱蒸汽的溫度，大幅減少再熱器減溫水的用量，降低煙氣濕度，避免煙氣中的SOx和NOx等腐蝕性氣體溶于水后產(chǎn)生強(qiáng)酸腐蝕煙道內(nèi)的受熱面.

目前，關(guān)于煙氣擋板的研究多集中于煙氣擋板的控制策略，如二次再熱超超臨界機(jī)組再熱蒸汽溫度控制策略[5-6]等，該策略可以將一、二次再熱汽溫控制在合理范圍內(nèi).如果要進(jìn)一步提高煙氣擋板控制策略的精確性、快速性和穩(wěn)定性，就必須結(jié)合煙氣擋板本身的流量特性來(lái)修正煙氣擋板的控制策略[7].數(shù)值模擬是研究流動(dòng)部件(如袋式除塵器、空冷系統(tǒng)排氣管道和集流式比例閥等)的流動(dòng)和流量特性時(shí)常用的方法[8-18].采用數(shù)值模擬研究煙氣擋板的流量特性，能夠得到煙氣擋板內(nèi)部工質(zhì)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、流量和壓降等重要參數(shù)，為工況優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改造奠定理論基礎(chǔ).筆者擬利用Fluent軟件計(jì)算和模擬某DN 1 500煙氣擋板在不同壓降和開度下的煙氣質(zhì)量流量及煙氣速度矢量，以及擬合流量特性分段函數(shù)，以期為煙氣擋板控制策略的設(shè)計(jì)、校驗(yàn)和優(yōu)化提供技術(shù)支撐.

1 數(shù)值模擬模型與計(jì)算條件

1.1 模型建立

某DN 1 500煙氣擋板如圖1所示.該煙氣擋板利用上、中、下3片可以轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)擋板實(shí)現(xiàn)煙氣質(zhì)量流量調(diào)節(jié)，方便起見，依次稱為上擋板、中擋板和下?lián)醢?上擋板和下?lián)醢逖仨槙r(shí)針?lè)较虼蜷_，中擋板沿逆時(shí)針?lè)较虼蜷_，在擋板運(yùn)行過(guò)程中，3片擋板打開的角度一致(該角度稱為擋板開度，用θ表示).該煙氣擋板的設(shè)計(jì)要求為：擋板的工作壓降不超過(guò)1 000 Pa，擋板全開時(shí)阻力不大于100 Pa.

圖1 某DN 1 500煙氣擋板Fig. 1 A DN 1 500 Flue Gas Damper

1.2 計(jì)算條件設(shè)置

采用Fluent數(shù)值模擬軟件，選擇帶有增強(qiáng)壁面函數(shù)修正的RNGk-ε雙方程湍流模型計(jì)算流場(chǎng).設(shè)定煙氣溫度為350 ℃且不可壓縮，則煙氣密度和動(dòng)力黏度分別為0.571 kg/m3和2.995×10-5Pa·s.設(shè)置煙道出口為壓力出口，大小為0 Pa.根據(jù)煙氣擋板的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定擋板壓降分別為100，300，500，700，1 000 Pa.

圖2 θ=10°時(shí)DN 1 500煙氣擋板對(duì)應(yīng)的80萬(wàn)網(wǎng)格Fig. 2 800 000 Grids for θ=10°

煙氣擋板安裝在圓形管道內(nèi)，故煙氣流場(chǎng)具有對(duì)稱性.為了有效減少網(wǎng)格數(shù)量、節(jié)省計(jì)算資源，筆者對(duì)計(jì)算模型作了合理簡(jiǎn)化，即選取煙道的中間截面為對(duì)稱面，只計(jì)算煙道與煙氣擋板一半的流場(chǎng).本研究采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，并選用θ=10°的DN 1 500煙氣擋板進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目大于80萬(wàn)后，其計(jì)算結(jié)果與80萬(wàn)網(wǎng)格的基本一致，故最終選擇80萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.圖2示出了θ=10°時(shí)DN 1 500煙氣擋板對(duì)應(yīng)的80萬(wàn)網(wǎng)格.

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣質(zhì)量流量

圖3 不同擋板壓降下不同擋板開度對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量Fig. 3 Flue Gas Mass Flow Corresponding to Different Damper Opening with Different Pressure Drop

擋板壓降100，300，500，700，1 000 Pa下，擋板開度10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量(Qθ)如圖3所示.

從圖3可以看出，擋板壓降保持不變，煙氣質(zhì)量流量隨著擋板開度的增大而增大，θ>80°后增長(zhǎng)幅度略有下降.以擋板壓降為1 000 Pa為例：θ=40°時(shí)的煙氣質(zhì)量流量(15.12 kg/s)比θ=10°時(shí)的(3.58 kg/s)增加了11.54 kg/s，θ=80°時(shí)的煙氣質(zhì)量流量(67.66 kg/s)比θ=50°時(shí)的(22.14 kg/s)增加了45.52 kg/s，45.52 kg/s是11.54 kg/s的3.94倍；θ=70°時(shí)的煙氣質(zhì)量流量(48.34 kg/s)比θ=60°時(shí)的(31.94 kg/s)增加了16.40 kg/s，θ=80°時(shí)的煙氣質(zhì)量流量(67.66 kg/s)比θ=70°時(shí)的(48.34 kg/s)增加了19.32 kg/s，θ=90°時(shí)的煙氣質(zhì)量流量(79.21 kg/s)比θ=80°時(shí)的(67.66 kg/s)增加了11.55 kg/s，11.55 kg/s是16.40 kg/s的70.43%，是19.32 kg/s的59.78%.這說(shuō)明，40°≤θ≤80°時(shí)，擋板開度對(duì)煙氣質(zhì)量流量的影響較明顯，而在其他開度下的影響不明顯.

擋板壓降100 Pa對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量隨著擋板開度的變化趨勢(shì)與擋板壓降1 000 Pa的類似，但前者的變化趨勢(shì)更平緩，說(shuō)明擋板壓降越小，擋板開度對(duì)煙氣質(zhì)量流量的影響越不明顯.擋板壓降為100 Pa時(shí)，擋板全開對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量最大(25.05 kg/s)，而按照設(shè)計(jì)要求，擋板全開時(shí)阻力不大于100 Pa，說(shuō)明在煙氣擋板全開時(shí)煙氣質(zhì)量流量不能高于25.05 kg/s.

從圖3還可以看出：θ=10°時(shí)，擋板壓降100，300，500，700，1 000 Pa對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量分別為1.13，1.96，2.54，3.00，3.58 kg/s，煙氣質(zhì)量流量變化范圍為2.45 kg/s；θ=40°時(shí)，擋板壓降100，300，500，700，1 000 Pa對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量分別為4.78，8.28，10.70，12.66，15.12 kg/s，煙氣質(zhì)量流量變化范圍為10.34 kg/s，比θ=10°時(shí)的增加了3.22倍；擋板全開時(shí)，擋板壓降100，300，500，700，1 000 Pa對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量分別為25.05，43.39，56.02，66.28，79.21 kg/s，煙氣質(zhì)量流量變化范圍為54.16 kg/s，比θ=10°時(shí)的增加了21.11倍.這說(shuō)明，擋板開度一定時(shí)，煙氣質(zhì)量流量隨著擋板壓降的增大而增大，且擋板開度越大，變化趨勢(shì)越明顯.

2.2 煙氣速度矢量

擋板壓降100，300，500，700，1 000 Pa下，擋板開度10°，30°，50°，70°，90°對(duì)應(yīng)的煙氣速度矢量的模擬計(jì)算結(jié)果表明：不同壓降下，煙氣速度矢量和煙氣最大流速隨擋板開度的變化趨勢(shì)基本一致；開度一定時(shí)，壓降1 000 Pa對(duì)應(yīng)的煙氣最大流速高于其他壓降的；與其他壓降相比，壓降1 000 Pa時(shí)煙氣最大流速隨擋板開度變化的幅值更大.因此，以擋板壓降1 000 Pa為例就能很好地反映煙氣速度矢量隨擋板開度的變化趨勢(shì)(圖4).

圖4 擋板壓降1 000 Pa下不同擋板開度對(duì)應(yīng)的煙氣速度矢量Fig. 4 Velocity Vector Diagrams Corresponding to Different Opening of the Damper with 1 000 Pa Pressure Drop

從圖4可以看出：擋板開度越大，煙氣速度場(chǎng)分布的均勻程度越好；高速區(qū)域多分布在擋板開口處，且擋板開度越小，高速區(qū)域聚集于擋板開口處的現(xiàn)象越明顯，高速區(qū)域的速度與其他區(qū)域的差距越大.

從圖4還可以看出：θ=30°時(shí)的煙氣最大流速(74.5 m/s)比θ=10°時(shí)的(61.9 m/s)增加了20.36%；θ=70°時(shí)的煙氣最大流速(169.0 m/s)比θ=50°時(shí)的(91.0 m/s)增加了85.71%；θ=90°時(shí)的煙氣最大流速(165.0 m/s)比θ=70°時(shí)的(169.0 m/s)略小.這說(shuō)明，相同的擋板壓降下，擋板開度逐漸變大時(shí)，煙氣最大流速先小幅增加，再大幅增加，最終略微下降.這是因?yàn)?，流?chǎng)最大速度往往取決于流場(chǎng)的平均速度及速度分布的均勻程度，其中，流場(chǎng)的平均速度與煙氣質(zhì)量流量成正比，流場(chǎng)最大速度與流場(chǎng)的平均速度成正相關(guān)，流場(chǎng)最大速度與速度分布的均勻程度成負(fù)相關(guān).

結(jié)合圖3和圖4可見：擋板壓降保持不變，θ≤50°時(shí)，隨著擋板開度的增大，煙氣質(zhì)量流量增加，相應(yīng)地，煙氣平均速度增加，流場(chǎng)均勻性逐漸改善，但煙氣平均速度增加的趨勢(shì)占優(yōu)，故此時(shí)煙氣最大流速穩(wěn)步升高；50°<θ≤70°時(shí)，隨著擋板開度的增大，煙氣質(zhì)量流量大幅增加，煙氣平均速度也快速增加，相比之下，流場(chǎng)均勻性提高不多，此時(shí)煙氣最大流速迅速升高；θ>70°時(shí)，隨著擋板開度的增大，煙氣質(zhì)量流量增加的速度放緩，煙氣平均速度增加的幅度稍有下降，而流場(chǎng)均勻性大大提升，占據(jù)主導(dǎo)，此時(shí)煙氣最大流速略微下降.在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，煙氣中往往帶有煙塵顆粒，擋板開度越小，煙氣速度矢量分布均勻程度越差，煙塵顆粒越容易富集于擋板局部而磨損擋板，縮短擋板的使用壽命，因此應(yīng)盡量避免擋板在小開度下長(zhǎng)時(shí)間工作.

2.3 流量特性分段函數(shù)

擬合流量特性曲線并獲得相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，有助于預(yù)測(cè)擋板在運(yùn)行過(guò)程中的流量變化，便于監(jiān)控與調(diào)整擋板開度，保證鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，擋板全開時(shí)阻力不大于100 Pa，因此選取擋板壓降100 Pa對(duì)應(yīng)的流量特性進(jìn)行擬合.假設(shè)圖3相鄰2點(diǎn)之間的流量按直線分布，則擋板壓降100 Pa對(duì)應(yīng)的流量特性分段函數(shù)為

(1)

其中Qθ為擋板開度θ對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量.煙氣質(zhì)量流量增長(zhǎng)率(qθ)的計(jì)算公式為

(2)

結(jié)合(1)，(2)式可知：當(dāng)θ<23°時(shí)，每個(gè)擋板開度對(duì)應(yīng)的流量增長(zhǎng)率均明顯大于5%，甚至可達(dá)7.96%，不利于精準(zhǔn)調(diào)節(jié)流量；當(dāng)23°≤θ≤81°時(shí)，每個(gè)開度對(duì)應(yīng)的流量增長(zhǎng)率均接近5%，能夠滿足大多數(shù)工況下的流量調(diào)節(jié)需求；當(dāng)θ>81°時(shí)，每個(gè)開度對(duì)應(yīng)的流量增長(zhǎng)率均小于2%，此時(shí)擋板開度的變化對(duì)煙氣質(zhì)量流量的影響不大，擋板的流量調(diào)節(jié)能力變?nèi)?因此，建議煙氣擋板的常用開度區(qū)間為23°≤θ≤81°.

3 結(jié)論

采用Fluent數(shù)值模擬軟件，選擇帶有增強(qiáng)壁面函數(shù)修正的RNGk-ε雙方程湍流模型計(jì)算了某DN 1 500煙氣擋板在壓降為100，300，500，700，1 000 Pa時(shí)不同擋板開度對(duì)應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量，以及壓降為1 000 Pa時(shí)不同擋板開度對(duì)應(yīng)的煙氣速度矢量，并且擬合了擋板壓降為100 Pa時(shí)的流量特性分段函數(shù).研究結(jié)論如下：

(1)煙氣質(zhì)量流量隨著擋板開度的增大而增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)在θ>80°后略有下降.由于擋板壓降100 Pa下，煙氣質(zhì)量流量在擋板全開時(shí)最大(25.05 kg/s)，因此要保證擋板全開時(shí)壓降小于100 Pa，全開時(shí)的煙氣質(zhì)量流量就不能超過(guò)25.05 kg/s.

(2)相同的擋板壓降下，隨著擋板開度的增大，煙氣流場(chǎng)均勻性逐漸改善，煙氣最大流速先小幅增加，再大幅增加，最終略微下降.考慮到流場(chǎng)不均勻?qū)е碌膿醢寰植磕p，應(yīng)當(dāng)盡量避免擋板在小開度下長(zhǎng)時(shí)間工作.

(3)當(dāng)23°≤θ≤81°時(shí)，每個(gè)擋板開度對(duì)應(yīng)的流量增長(zhǎng)率均接近5%，能夠滿足大多數(shù)工況下的流量調(diào)節(jié)需求，因此使用過(guò)程中盡量在23°≤θ≤81°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)煙氣質(zhì)量流量.