煙氣系統(tǒng)優(yōu)化改造對空預(yù)器入口流場分布影響研究

劉勇先 王正發(fā) 羅偉 周洪 馬翔

（1、貴州省習(xí)水鼎泰煤電開發(fā)有限責任公司，貴州習(xí)水 5646112、西安熱工研究院有限公司鍋爐系統(tǒng)及環(huán)保事業(yè)部，陜西西安 710054）

1 研究背景及意義

為了提高火電廠的發(fā)電效率，減小環(huán)境污染，可以采用大容量、高參數(shù)機組，各種聯(lián)合循環(huán)，優(yōu)化系統(tǒng)運行與電廠管理等方法。隨著火電廠節(jié)能減排工作的深入，針對火電廠的各個子系統(tǒng)進行經(jīng)濟性研究，對運行有缺陷或者能耗較高的系統(tǒng)環(huán)節(jié)進行優(yōu)化改造成為目前的火電廠節(jié)能減排工作的研究重點。

提高電站鍋爐煙風(fēng)煤粉管道的設(shè)計水平、提高風(fēng)機實際運行效率，對火電廠優(yōu)化運行和節(jié)能減排具有非常重要的意義。

在運行過程中，兩臺機組空氣預(yù)熱器（下文簡稱：空預(yù)器）存在內(nèi)部流場不均的情況，導(dǎo)致運行中存在空預(yù)器堵塞，阻力較大的情況。同時，還導(dǎo)致空預(yù)器內(nèi)部磨損嚴重，機組運行的經(jīng)濟性和設(shè)備可靠性受到極大影響。因此，非常有必要通過建模計算，分析空預(yù)器進口煙道內(nèi)流分布，采用加設(shè)內(nèi)部導(dǎo)流板的方式來優(yōu)化內(nèi)部流場，降低系統(tǒng)阻力，優(yōu)化設(shè)備運行。主要研究目的在于：

（1）建立空預(yù)器進口煙道及空預(yù)器三維模型，通過數(shù)值模擬軟件進行內(nèi)流計算。

（2）在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，進行空預(yù)器進口煙道內(nèi)部流場的實際分布測試。

（3）通過實際測試值與計算值的對比，分析內(nèi)流混亂的原因，并根據(jù)空氣動力學(xué)原理，設(shè)計新型導(dǎo)流板形式及布置位置。

（4）通過數(shù)值計算，對內(nèi)流進行計算，驗證優(yōu)化效果，如效果不佳則進行調(diào)整設(shè)計，最終實現(xiàn)優(yōu)化內(nèi)流分布的效果。

2 空預(yù)器入口煙道流場分布數(shù)值模擬及試驗研究

2.1 現(xiàn)有空預(yù)器入口布置情況

現(xiàn)有脫硝出口至空預(yù)器進口段煙道布置情況如圖1 所示。如圖所示，現(xiàn)有煙道設(shè)置有兩個彎頭，其中，90°彎頭處設(shè)有3片導(dǎo)流板，另一個彎頭處沒有導(dǎo)流板。該種布置方式，煙氣會在較短范圍內(nèi)連續(xù)折轉(zhuǎn)，無法保證為空預(yù)器提供良好的進氣條件。

圖1 脫硝出口至空預(yù)器入口速度云分布圖

2.2 計算模型的建立

2.2.1 邊界條件

660MW 工況：進口邊界條件為速度邊界條件（根據(jù)工況煙氣流量換算得來，并給定進口煙氣密度）；出口邊界條件為壓力邊界條件，壁面邊界條件為無滑移壁面，對稱中分面設(shè)置對稱邊界條件，動力粘性系數(shù)為2.00×10-5Pa·s。

計算域為1 號機組脫硝出口至空預(yù)器進口段煙道。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

對計算區(qū)域進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為200 萬，對邊界層區(qū)域進行加密。

2.2.3 數(shù)值計算煙道內(nèi)部流場分布圖

目前脫硝出口至空預(yù)器入口速度云分布圖如圖1 所示，對空預(yù)器入口截面示意圖見圖2，對空預(yù)器入口截面速度云分布圖見圖3。

圖2 空預(yù)器入口截面速度云分布圖

圖3 兩種優(yōu)化思路對比

通過圖1、2，可以看出現(xiàn)有空預(yù)器入口煙道內(nèi)部煙氣流動存在較為明顯的流動分離現(xiàn)象；煙氣主要集中在前墻側(cè)，后墻側(cè)煙氣量較少。且空預(yù)器入口的煙氣流動速度分布不均勻，在圖2 的淺色區(qū)域的流動速度較高，更容易造成空預(yù)器內(nèi)部換熱元件的磨損；而藍色區(qū)域的流動速度較慢，則容易在局部產(chǎn)生積灰及造成換熱元件堵塞。

3 現(xiàn)場熱態(tài)試驗測試結(jié)果分析

為了印證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，在同一機組660MW 工況負荷下，對兩側(cè)空預(yù)器入口的煙氣流速分布情況進行了測試，測試結(jié)果與CFD 數(shù)值計算的分布情況基本吻合。

由表1 中數(shù)據(jù)反映的情況，可以明顯看出在滿負荷工況運行時，空預(yù)器入口仍然存在較大的低速區(qū)域；而相對而言，部分區(qū)域的煙氣流動速度已超過國家最低標準要求的15m/s?，F(xiàn)有空預(yù)器入口煙道存在明顯的速度不均現(xiàn)象。

表1 空預(yù)器實測入口速度分布統(tǒng)計表

4 優(yōu)化思路及工程實施

根據(jù)空預(yù)器入口煙氣流動分離現(xiàn)象明顯的特點，對脫硝出口至空預(yù)器入口煙道提出了兩類改造思路：

優(yōu)化思路一：在第一個彎頭處，將彎頭內(nèi)部回轉(zhuǎn)半徑由800mm 增加至3000mm，并在第二個彎頭處，均勻布置4 片導(dǎo)流板，導(dǎo)流板詳細尺寸詳見圖3。

優(yōu)化思路二：在第一個彎頭處，設(shè)置2 片導(dǎo)流板；在90°彎頭處，均勻布置4 片導(dǎo)流板。

4.1 兩種優(yōu)化思路對比分析

為了更直觀地對比空預(yù)器入口煙氣進氣條件優(yōu)化前后的效果，圖4 給出了脫硝出口至空預(yù)器進口段煙道優(yōu)化前后的流線圖。

（1）在原始煙道布置方案中，氣流在兩個彎頭處均有明顯的流動分離，流場速度均勻性差，流動損失大。

（2）相對于原始方案而言，優(yōu)化思路一和優(yōu)化思路二均在煙道合理設(shè)置了導(dǎo)流板，內(nèi)部流場得到了明顯改善，而且優(yōu)化思路二煙道內(nèi)部流場均勻性明顯好于優(yōu)化方案一。整體而言，優(yōu)化思路一較原始方案煙道內(nèi)部流場得到了改善，而優(yōu)化思路二煙道內(nèi)部的流場均勻性和流動分離的改善更為明顯，是更優(yōu)的優(yōu)化思路。

圖4 為原始方案、優(yōu)化思路一和優(yōu)化思路二空預(yù)器入口煙道內(nèi)部速度流線分布圖的對比情況。其中：

圖4 脫硝出口至空預(yù)器進口段煙道速度矢量圖

（1）原始方案內(nèi)部流動分離現(xiàn)象最為明顯，彎頭處存在局部渦流區(qū)，流動均勻性較差。

（2）優(yōu)化方案一在空預(yù)器入口90°彎頭處均勻布置4 片導(dǎo)流板后，空預(yù)器入口流動均勻性得到有效的改善，但脫硝出口處仍存在明顯的流動分離現(xiàn)象，優(yōu)化效果有限。

（3）優(yōu)化方案二在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，在脫硝反應(yīng)器出口彎頭處單獨布置2 片導(dǎo)流板，使得整個脫硝出口煙道喉部流動均勻性得到有效的改善，空預(yù)器入口煙氣流動均勻性得到進一步提升。

圖5 為原始模型、優(yōu)化思路一和優(yōu)化思路二空預(yù)器入口煙道內(nèi)部速度流線分布圖的對比情況。

圖5 空預(yù)器進口截面速度云圖

4.2 空預(yù)器入口流速分布對比分析

均勻性較差，優(yōu)化思路一改造后速度均勻性有所提升，而優(yōu)化思路二改造后速度均勻性改善更為明顯。

目前空預(yù)器存在內(nèi)部流場不均的情況，導(dǎo)致運行中存在空預(yù)器出現(xiàn)了堵塞和磨損問題。因此，為了更好地分析空預(yù)器進口流場狀況，本文通過截取空預(yù)器進口截面速度云圖進行分析?？疹A(yù)器進口截面（即本次計算域出口截面）示意如圖5 所示。

圖5 給出了空預(yù)器進口截面原始模型和按兩種優(yōu)化思路改造后的計算出的速度云圖?？疹A(yù)器進口截面，原始模型速度

4.3 最優(yōu)思路煙道阻力分析

為了獲得脫硝出口至空預(yù)器進口段煙道的煙道阻力，本報告通過提取計算域內(nèi)相應(yīng)截面的總壓來計算煙道阻力，計算結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，在660MW 工況下，原始模型脫硝出口至空預(yù)器進口段煙道總壓損失為220Pa，優(yōu)化思路一該段煙道的總壓損失為141Pa，而優(yōu)化思路二該段煙道的總壓損失為108Pa。由計算可知，優(yōu)化思路一相對于原始方案的平均總壓損失下降了79Pa，換算成百分比，下降了36%；優(yōu)化思路二相對于原始方案的平均總壓損失下降了112Pa，換算成百分比，下降了51%。

表2 A 側(cè)空預(yù)器入口速度分布統(tǒng)計表

4.4 實測結(jié)果

電廠在引增風(fēng)機合一改造前后均進行了試驗測試，改造前滿負荷工況下脫硝出口至空預(yù)器進口煙道整體阻力為355Pa，改造后脫硝出口至空預(yù)器煙氣側(cè)入口煙道阻力為215pa，煙道阻力下降40.0%。計算值與實測值偏差在工程應(yīng)用允許的10%以內(nèi)，煙道阻力下降明顯。

對空預(yù)器入口的流場分布情況進行了實測，測試位置位于90°彎頭下方2m 處，測試采用現(xiàn)場皮托管測量，測試負荷600MW。測試結(jié)果如表2 所示。

對比表2 與第3 節(jié)的表1，空預(yù)器入口的流場速度分布不均的情況得到了有效的改善；一方面，低速區(qū)域幾乎消失；另一方面，流速過高的區(qū)域也幾乎全部得到了改善?？疹A(yù)器積灰及磨損情況將得到有效的緩解。

4.5 節(jié)能效果分析

煙道經(jīng)過改造后年節(jié)電量277477kW·h，年可節(jié)約費用9.18 萬元，經(jīng)濟效益較為明顯（見表3）。

表3 改造經(jīng)濟性分析

5 結(jié)論

在大型火力發(fā)電站進行深度節(jié)能的大背景下，本文探究了煙氣系統(tǒng)局部優(yōu)化后，對煙氣流場分布將產(chǎn)生比較明顯的效果，通過特定的優(yōu)化方案可以改善煙道系統(tǒng)效應(yīng)，從而改善空預(yù)器進氣條件，從而改善空預(yù)器的積灰及磨損情況。結(jié)合某工程實例，得到如下結(jié)論：

5.1 對于脫硝反應(yīng)器出口存在減縮型煙道的情況，可以結(jié)合現(xiàn)場實際情況，可以采取改大拐彎半徑或者布置導(dǎo)流板的方式，調(diào)整反應(yīng)器的速度分布，避免在下游煙道底部或其他區(qū)域產(chǎn)生積灰堆積或磨損現(xiàn)象。

5.2 對于空預(yù)器入口彎管，在內(nèi)彎過后容易出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，在空預(yù)器入口位置產(chǎn)生渦旋，最終導(dǎo)致空預(yù)器入口流場分布不均，局部流速過低容易引起積灰，局部流速過高則加速換熱元件磨損?？梢酝ㄟ^在彎道內(nèi)部布置導(dǎo)流板的方式，通過導(dǎo)流板均流后，再進入空預(yù)器，這樣可以有效緩解空預(yù)器的堵塞和磨損，還可以降低局部的煙道阻力。

5.3 某660MW 電廠將脫硝出口至空預(yù)器入口煙道進行了優(yōu)化改造，在脫硝出口喉部煙道及空預(yù)器入口彎頭增加了導(dǎo)流板后，空預(yù)器入口煙氣速度分布得到了有效改善，煙道總阻力下降了40%，內(nèi)部流場均勻性得到了極大改善，經(jīng)濟效益明顯。