某600 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)出口煙道流場優(yōu)化

胡善苗，韋紅旗，沙遠(yuǎn)超，汪 超

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

在國家“節(jié)能減排”的號召下，人們越來越重視大型火電機(jī)組煙道流場優(yōu)化。煙道的設(shè)計(jì)不僅決定風(fēng)煙系統(tǒng)的阻力，并且會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。引風(fēng)機(jī)出口煙道的結(jié)構(gòu)決定了其內(nèi)部流場特性，并且會(huì)直接影響引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)，出口煙道的流場特性還會(huì)影響脫硫塔內(nèi)的流場，進(jìn)而影響脫硫效率[1]。因此，對引風(fēng)機(jī)出口煙道流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，保證流場分布均勻，對解決機(jī)組振動(dòng)、提高脫硫效率、減少煙道阻力、保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行等具有重要意義。

近年來，對鍋爐尾部煙道數(shù)值模擬的研究越來越完善[2-6]。但在以往的流場優(yōu)化研究中，缺乏客觀的流場評價(jià)與分析標(biāo)準(zhǔn)，并且在描述優(yōu)化效果時(shí)，對簡單流場的分析存在人為誤差，具有一定的片面性。筆者以某電廠600 MW機(jī)組為研究對象，針對其引風(fēng)機(jī)振動(dòng)嚴(yán)重、煙道流場紊亂、管道阻力大的問題，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)，將脫硫塔內(nèi)的噴淋層簡化為多孔介質(zhì)模型，對引風(fēng)機(jī)出口煙道流場進(jìn)行數(shù)值模擬，提出煙道優(yōu)化改造方案，并通過計(jì)算煙道煙氣的速度、湍動(dòng)能與速度偏差系數(shù)等參數(shù)，對優(yōu)化后的煙道流場進(jìn)行分析與評價(jià)，為煙道流場優(yōu)化改造提供合理的設(shè)計(jì)方案與理論依據(jù)。

1 設(shè)備概況

該600 MW機(jī)組配備2臺引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)采用雙級動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其中：T.B工況為風(fēng)機(jī)額定工況，BMCR工況為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況，THA工況為汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收工況。煙氣從引風(fēng)機(jī)引出，經(jīng)匯流后進(jìn)入脫硫塔，引風(fēng)機(jī)出口煙道為方形煙道，不設(shè)增壓風(fēng)機(jī)、煙氣旁路及煙氣換熱器。機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過中，存在引風(fēng)機(jī)軸承箱振動(dòng)劇烈、出口煙道振動(dòng)大的問題，影響著機(jī)組的安全運(yùn)行。

表1 引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

利用三維建模軟件，根據(jù)現(xiàn)場施工圖紙按1∶1進(jìn)行建模(見圖1)。

圖1 原結(jié)構(gòu)模型

在滿足工程要求的前提下，為便于建模與模擬，對該煙道作出如下假設(shè)：

(1)將煙氣視為不可壓縮牛頓流體，定常流動(dòng)。

(2)假設(shè)引風(fēng)機(jī)出口煙氣速度分布均勻。

(3)忽略煙道中支撐桿等對流場影響較小的內(nèi)部構(gòu)造。

(4)導(dǎo)流板的厚度相對煙道尺寸較小，模擬時(shí)忽略其厚度影響。

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對煙道計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖2)，對近壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，第一層網(wǎng)格厚度為5 mm，法向增長率為1.5，以適應(yīng)邊界層處煙氣速度的變化。將煙道阻力作為特征參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為246萬。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模擬煙氣的湍流流動(dòng)。脫硫塔內(nèi)漿液液滴對煙氣流動(dòng)的作用采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬[7-9]。通過設(shè)置不同方向上的黏性阻力與慣性阻力，以保證模擬時(shí)的阻力與實(shí)際運(yùn)行情況相近，阻力系數(shù)按噴淋層壓降設(shè)置，噴淋層壓降為1 800 Pa。

圖2 原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

2.2 邊界條件

入口邊界條件設(shè)置為均勻速度入口，速度按BMCR 工況下的設(shè)計(jì)煙氣量進(jìn)行計(jì)算；出口邊界條件設(shè)置為大氣壓力出口；壁面、導(dǎo)流板、隔板均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面。采用SIMPLEC算法模擬速度場與壓力場的耦合，迭代過程采用低松弛迭代的變松弛因子法。

2.3 流場評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用速度偏差系數(shù)來評價(jià)煙道內(nèi)部流場的均勻性。速度偏差系數(shù)越小，表示速度分布越均勻[10-11]。速度偏差系數(shù)的具體計(jì)算公式為：

(1)

3 結(jié)果分析

3.1 原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果

為確保引風(fēng)機(jī)即使在BMCR工況下也不會(huì)出現(xiàn)帶負(fù)荷能力不足問題，進(jìn)而也能保證鍋爐在其他工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此選用BMCR工況下的設(shè)計(jì)煙氣量作為邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬。

原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果見圖3。

圖3 原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果

由圖3(a)可得：原結(jié)構(gòu)中，引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口的煙道內(nèi)流線紊亂，多處形成渦流，主要集中在區(qū)域1～區(qū)域4。區(qū)域 1、區(qū)域2 處渦流是因?yàn)楣战翘師煹澜Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，煙氣沿豎直煙道爬升后經(jīng)拐角進(jìn)入水平煙道，導(dǎo)致拐角處氣流紊亂；區(qū)域 3 處渦流是因?yàn)閮蓚?cè)流體直接對沖匯流；區(qū)域4處渦流是因?yàn)闊煔庠谥苯菬煹擂D(zhuǎn)彎時(shí)受到離心力的作用。渦流的存在導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)出口煙道流場分布不均勻，影響引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)會(huì)增加煙道流動(dòng)阻力。

由圖3(b)可得：煙氣匯流后截面軸向速度分布不均勻，中間存在大面積高速區(qū)，兩側(cè)上方形成低速渦流區(qū)，總體呈現(xiàn)“中間高，兩側(cè)低”的分布趨勢，截面速度偏差系數(shù)高達(dá)49.8%；煙氣匯流后速度較高且分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致煙道振動(dòng)加重和引風(fēng)機(jī)工作效率下降，進(jìn)而影響機(jī)組運(yùn)行的安全性。由圖3(c)可得：脫硫塔入口截面兩側(cè)軸向速度分布不均勻，從B側(cè)到A側(cè)遞增，截面速度偏差系數(shù)為40%；脫硫塔入口截面速度分布不均勻會(huì)影響塔內(nèi)煙氣速度的均勻分布，并且影響脫硫效率。

湍動(dòng)能可以用來衡量煙道內(nèi)部氣流的穩(wěn)定性。湍動(dòng)能越大，說明氣流越不穩(wěn)定，能量損耗越大。由圖3(d)可得：原結(jié)構(gòu)中，在煙氣匯流后截面的中間區(qū)域存在較大的湍動(dòng)能，最大值達(dá)到40 m2/s2，是因?yàn)閮蓚?cè)流體對沖匯流形成了較大的渦流區(qū)域。由圖3(e)可得：原結(jié)構(gòu)中，在脫硫塔入口B側(cè)上部近壁區(qū)域存在較大的湍動(dòng)能，最大值達(dá)到25 m2/s2，脫硫塔入口氣流不穩(wěn)定。

3.2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果

針對原結(jié)構(gòu)流場存在的問題，通過增設(shè)導(dǎo)流板、設(shè)置倒角等方式對原結(jié)構(gòu)煙道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[12-15]。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模型

具體優(yōu)化方案為：

(1)在2臺引風(fēng)機(jī)出口水平煙道拐角處分別新增一組導(dǎo)流板(優(yōu)化導(dǎo)流板1)，以改善經(jīng)拐角向豎直煙道爬升的氣流的均勻性。

(2)在兩側(cè)豎直煙道后的拐角處增加一組導(dǎo)流板(優(yōu)化導(dǎo)流板2)，以解決煙道拐角處氣流紊亂嚴(yán)重的問題。

(3)在水平煙道匯流處增設(shè)一組導(dǎo)流板(優(yōu)化導(dǎo)流板3)，并增加一塊隔板，以解決兩側(cè)氣流直接對沖匯流而引起的中間速度過高、兩側(cè)存在渦流的問題。

(4)在脫硫塔入口水平煙道漸擴(kuò)段新增一組導(dǎo)流板(優(yōu)化導(dǎo)流板4)，以改善漸擴(kuò)段煙氣充滿度不高的問題。

(5)在脫硫塔入口拐角處，將直角改為倒角，并增設(shè)一組導(dǎo)流板(優(yōu)化導(dǎo)流板5)，以改善脫硫塔入口煙氣的均勻性。

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

圖5 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果

對比圖3(a)和圖5(a)可得：優(yōu)化后，在引風(fēng)機(jī)出口煙道內(nèi)，煙氣明顯分布得更為均勻，拐角處設(shè)置的導(dǎo)流板消除了大范圍的渦流；兩側(cè)煙氣匯流時(shí)經(jīng)導(dǎo)流板與隔板的作用，氣流流動(dòng)相對更加平穩(wěn)，在煙道中的充滿度得到了提高。

對比圖3(b)和圖5(b)可得：優(yōu)化后，匯流后截面軸向速度分布變得均勻，中間的高速區(qū)與兩側(cè)的低速渦流區(qū)均已消失，截面速度偏差系數(shù)由49.8%降至14.9%，減輕了高速氣流對煙道的沖擊，有利于提高煙道流場均勻性，減輕煙道振動(dòng)。對比圖3(c)和圖5(c)可得：優(yōu)化后，脫硫塔入口截面軸向速度分布變得更均勻，優(yōu)化后煙道兩側(cè)不存在明顯的速度梯度變化，截面速度偏差系數(shù)由40%減小到20%；優(yōu)化后截面底部依然存在小范圍的高速區(qū)，這是因?yàn)闅饬鬟M(jìn)入脫硫塔前經(jīng)過一段斜坡煙道；但是，截面軸向速度保持在12～14 m/s，進(jìn)入脫硫塔的氣流變得均勻，有利于提高脫硫效率。

對比圖3(d)和圖5(d)可得：優(yōu)化后，匯流后截面湍動(dòng)能顯著減小，在匯流處布置導(dǎo)流板與隔板可有效抑制氣流擾動(dòng)，消除高湍動(dòng)能區(qū)域，截面湍動(dòng)能最大值由40 m2/s2減小到6.5 m2/s2。

對比圖3(e)和圖5(e)可得：優(yōu)化后，脫硫塔入口截面湍動(dòng)能明顯減小，最大值由25 m2/s2減小到3 m2/s2，氣流流動(dòng)更為穩(wěn)定。

3.3 優(yōu)化前后煙道阻力

引風(fēng)機(jī)出口煙道的阻力對引風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性均有一定影響。在BMCR工況下，對優(yōu)化前后引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口的煙道阻力進(jìn)行分析對比，結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后煙道阻力的對比

由表2可得：優(yōu)化后，煙道阻力有所下降，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的煙道阻力較原結(jié)構(gòu)下降255 Pa，優(yōu)化效果顯著。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)鍋爐冷態(tài)自模化原理，采用網(wǎng)格法，在冷態(tài)條件下對煙道內(nèi)主要截面的煙氣速度進(jìn)行測試，優(yōu)化后的測試結(jié)果見圖6。

圖6 優(yōu)化后的測試結(jié)果

數(shù)值模擬計(jì)算是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，忽略煙道中支撐桿等對流場的影響，并且實(shí)際引風(fēng)機(jī)出口煙氣速度分布不均勻，導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與測試結(jié)果存在一定偏差。在不同的特征截面上，測試所得的速度分布與數(shù)值模擬的速度分布基本一致，可以認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映引風(fēng)機(jī)出口煙道流場的分布。

5 結(jié)語

(1)原結(jié)構(gòu)引風(fēng)機(jī)出口后煙道流場分布不均勻，拐角、匯流區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理容易形成渦流區(qū)域、高速區(qū)域，引起煙道振動(dòng)，影響引風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

(2)通過在拐角、匯流區(qū)域布置導(dǎo)流板、設(shè)置倒角可有效改善引風(fēng)機(jī)出口煙道流場分布，提高煙道內(nèi)速度分布的均勻性，減小煙道流動(dòng)阻力。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的煙道整體阻力比原結(jié)構(gòu)的煙道整體阻力降低255 Pa，降阻效果明顯。