電廠煙道煙氣流動計算仿真及流量均衡研究

馬鵬飛 張選 賈瑞龍 王立新 尚慶 閆金山 閆溟 田俊武

(1.神華準格爾能源有限責任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010399；2.中國航天空氣動力技術(shù)研究院 北京100074)

0 引言

電廠煙道是電廠發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，由于在設計與制造安裝過程中主要采取橫平豎直的設計思路及便于制造和安裝的方法，因此不可避免地會產(chǎn)生大量的彎頭與分支結(jié)構(gòu)。同時由于電廠煙道為大型加工構(gòu)件，為了避免在制造與安裝過程中產(chǎn)生煙道變形，因此會在內(nèi)部增加一定的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，從而導致煙氣在煙道內(nèi)部流動過程中產(chǎn)生大量的漩渦運動，而煙氣在煙道彎頭與分支結(jié)構(gòu)部位也會產(chǎn)生漩渦運動，從而導致煙氣在煙道內(nèi)的流動復雜，產(chǎn)生大量的煙道沖刷和積灰現(xiàn)象，引起煙道系統(tǒng)異常振動和噪聲及引風機運行過程中的喘振現(xiàn)象，也會引起煙道后部布袋除塵器進氣流量不均，降低布袋除塵器的除塵效率，減少布袋除塵器內(nèi)布袋的使用壽命[1]。研究煙道內(nèi)煙氣的流動問題，可以有效地找到由煙道彎段、分支結(jié)構(gòu)部件及內(nèi)部支撐件引起的問題，并為解決這些問題提供理論基礎和技術(shù)支持[2-3]。通過后續(xù)改造，一方面可以減少煙道內(nèi)煙氣流動的沿程阻力損失，減小系統(tǒng)壓損，減輕振動及磨損，降低煙道系統(tǒng)能耗；另一方面還可以提高引風機可靠運行的控制裕度，促進火電廠可靠運行，為電廠節(jié)能降耗改造及新建電廠煙道設計提供良好的應用借鑒[4-5]。

1 煤矸石發(fā)電廠二期2×330 MW機組及機組鍋爐尾部煙道說明

神華準格爾能源有限責任公司煤矸石發(fā)電廠二期工程裝機容量為2×330 MW的循環(huán)流化床機組，采用東鍋1 177 t/h 亞臨界循環(huán)流化床鍋爐，3號機組于2011年11月18日并網(wǎng)發(fā)電，4號機組于2011年9月30日并網(wǎng)發(fā)電。該機組鍋爐尾部煙道布置存在許多煙道彎段、分支結(jié)構(gòu)部件及內(nèi)部支撐件，導致尾部煙道系統(tǒng)阻力較大，布袋除塵器入口煙氣存在不均衡現(xiàn)象，生產(chǎn)能耗指標較高。由于煤質(zhì)差、負荷率低、設備檢修費用投入少等原因，目前該電廠供電標準煤耗在368 g/(kW·h)左右，廠用電率10.6%左右，與國家指導的節(jié)能指標存在較大差距，節(jié)能工作任重道遠。

神華準格爾能源有限責任公司煤矸石發(fā)電廠二期2×330 MW機組鍋爐的尾部煙道(以下簡稱電廠煙道)前面連接布袋除塵器，后面連接了空氣預熱器，煙氣從空氣預熱器底部分成兩路流出，先向左右兩側(cè)方向流動，然后再向前方流動，經(jīng)過一個90°的急轉(zhuǎn)彎頭后向上方流動，然后再經(jīng)過一個90°的急轉(zhuǎn)彎頭后轉(zhuǎn)向前方流動進入到布袋除塵器。煙氣流經(jīng)兩路結(jié)構(gòu)對稱設計的煙道，進入兩路布袋除塵器，在兩路煙道之間設置有煙道聯(lián)箱。圖1為現(xiàn)場煙道實物布置。

圖1 準能矸石電廠2×330 MW機組鍋爐尾部煙道實物布置

2 電廠煙道數(shù)值模擬計算說明

本次數(shù)值模擬計算采用Ansys公司的Fluent 14.0進行，F(xiàn)luent 14.0 軟件不僅能提供定性結(jié)果，還可就流體的相互作用和平衡做出準確的定量預測。通過使用Fluent軟件對煙道流場進行數(shù)值模擬，研究煙道內(nèi)煙氣流動過程中的壓力場分布[6]。根據(jù)電廠煙道的二維圖紙及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用Catia幾何建模軟件，完成煙道幾何外形的三維建模，保證與真實外形的完全一致，為后期的流場模擬仿真和優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)輸入[7]?；谇捌谏傻臒煹廊S幾何外形，采用專業(yè)CFD軟件計算前處理網(wǎng)格，軟件Gridgen生成計算網(wǎng)格，計算網(wǎng)格選用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和多面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格形式，完成電廠煙道區(qū)域的建模與網(wǎng)格劃分，并在局部重點區(qū)域進行加密網(wǎng)格，可以在保證對復雜外形的高度保形的前提下，實現(xiàn)計算過程的快速收斂和流場的精確預測[8]。

根據(jù)流體理論，煙道內(nèi)的氣流是三維湍流，本文采用應用較多的標準k-ε方程模型進行數(shù)值模擬，完成本次的煙道數(shù)值模擬計算仿真和均衡研究[9]。本次研究所運用的主要偏微分方程組為

與上式對應的標準k-ε模型的控制方程如表1所示。

表1 標準k-ε模型的控制方程

3 電廠煙道尺寸及煙氣參數(shù)設定

煙道尺寸：煙道為軸對稱排列設計，煙道入口2個，其中單個煙道入口尺寸為 5 500 mm×3 200 mm，煙道前部連接空氣預熱器，煙道中間聯(lián)箱1個，尺寸為5 500 mm×10 965 mm，煙道出口2個，其中單個煙道出口尺寸為 5 600 mm×3 998 mm，尾部煙道出口后連接布袋除塵器(見圖2)。

圖3為電廠煙道的CFD數(shù)值計算仿真網(wǎng)格建模，網(wǎng)格總量大約在670萬。其中圖3(a)為煙道網(wǎng)格建模的整體網(wǎng)格，圖3(b)為煙道網(wǎng)格建模的局部網(wǎng)格。

計算中，入口使用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口使用壓力出口邊界條件，煙道壁面假設為絕熱壁，與外界環(huán)境無熱交換。

煙道內(nèi)流動煙氣參數(shù)：模擬所用的煙氣量Q=234×104m3/h(工況)，計算入口流速u=18.46 m/s，流體為不可壓縮流體，煙氣溫度T=145 ℃，密度ρ=0.8 kg/m3，動力粘度μ=2.3×105kg/(m·s)，煙氣各成分(體積分數(shù))：CO2(14.9%)、O2(2.66%)、H2O (9.45%)、N2(72.99%)。

圖2 煙道布置(單位：mm)

(a)電廠煙道建模整體網(wǎng)格

(b)電廠煙道建模局部網(wǎng)格

4 電廠煙道數(shù)值計算結(jié)果與結(jié)果分析

經(jīng)過對電廠煙道數(shù)值計算，得到電廠煙道內(nèi)部流場壓力分布，還對煙道阻力與兩路煙氣流量的分配均衡情況進行了分析。

4.1 數(shù)值模擬壓力內(nèi)部流場圖

圖4為電廠煙道總壓平面圖。從圖4可以看出，在煙道彎段、分支結(jié)構(gòu)部件及內(nèi)部支撐件等部位總壓損失較大，是煙道阻力主要集中的部位。圖5為電廠煙道壓力內(nèi)部三維分布圖。

從圖4和圖5可以看出，從灰斗上方進行豎直拐彎總壓損失約10 Pa，然后水平拐彎到直角彎頭之前總壓又損失約200 Pa，而后經(jīng)過直角彎頭總壓損失約100 Pa，后續(xù)爬升流至除塵器入口總壓損失約300 Pa。 從以上數(shù)據(jù)中看出，后續(xù)爬升流至除塵器入口造成的壓力損失最大，主要原因為這邊存在2個90°的直角彎頭。

圖4 電廠煙道總壓平面

圖5 電廠煙道壓力內(nèi)部三維分布

4.2 電廠煙道內(nèi)部氣體流線及阻力損失分析

經(jīng)過對電廠煙道內(nèi)部數(shù)值模擬計算，圖6給出了煙道內(nèi)部氣體流線。由圖6氣體流線，并結(jié)合圖4與圖5，可以得出：在直角彎頭之前，由于水平拐彎導致煙道內(nèi)側(cè)流動出現(xiàn)了漩渦回流，因此這一段出現(xiàn)了較大的總壓損失；而后在聯(lián)箱附近，由于煙氣經(jīng)過了直角彎頭又在聯(lián)箱內(nèi)相互碰撞并爬升，該區(qū)域內(nèi)的流動相當復雜，流線混亂，出現(xiàn)很多流動漩渦結(jié)構(gòu)，所以該段是總壓損失最大的區(qū)域。在后續(xù)改造中，考慮如何把煙道的直角彎頭給優(yōu)化掉，盡量保持煙道的直線連接，考慮采用傾斜爬坡的煙道設計，是降低本段煙道阻力的重要設計方向。

圖6 電廠煙道內(nèi)部氣體流線

電廠煙道主要阻力的產(chǎn)生及分析見表2。

4.3 兩路煙氣進口流量出現(xiàn)偏差后出口流量分析

為了考察電廠煙道內(nèi)聯(lián)箱對煙氣流動的影響，針對空氣預熱器出來的不同流量的兩路煙氣進行了數(shù)值模擬研究。由于某些原因，造成兩路煙氣流量出現(xiàn)偏差，左側(cè)煙氣流量增加5%或10%，則右側(cè)煙氣流量相應地減少5%或10%，這種情況下出口流量的影響情況在圖7中給出了具體數(shù)值。

由圖7可以看到，在煙氣進口流量給定偏差且穩(wěn)定流入的條件下，煙氣出口流量卻出現(xiàn)了更大的偏差，且流量不穩(wěn)定。

表2 電廠煙道主要阻力的產(chǎn)生及分析

圖7 煙道進出口流量統(tǒng)計情況

5 結(jié)語

本文利用數(shù)值模擬方法對上述煙道建立了計算模型，從煙道形狀參數(shù)、流體參數(shù)的角度出發(fā)，研究了該煙道內(nèi)壓力場的分布及煙氣進出口流量的均衡性。以上研究為減小尾部煙道阻力、改善流場品質(zhì)、增加尾部煙道流場均勻性、減少積灰、減少異常振動和噪聲等問題奠定理論基礎和提供后續(xù)改造的技術(shù)支持。通過后續(xù)改造，一方面可以減少煙道內(nèi)煙氣流動的沿程阻力損失，減小系統(tǒng)壓損，減輕振動及磨損，降低煙道系統(tǒng)能耗；另一方面還可以提高引風機可靠運行的控制裕度，為電廠節(jié)能降耗改造及新建電廠煙道設計提供良好的應用借鑒。