一種利用數(shù)值建模方式對煙道優(yōu)化的舉措

勝利國電（東營）熱電有限公司 丁厚東 張 振 李魯華

勝利國電#5機組為660MW 超臨界燃煤供熱機組，2015年12月16日完成168小時試運。為響應(yīng)國家環(huán)保要求，2017年8月至2017年12月機組進行超低排放改造，將SCR 脫硝由“2+1”升級為“3+1”；脫硫塔噴淋層上移一米且在最下層增加均流盤；脫硫吸收塔后增加濕電除塵。改造完成后機組運行出現(xiàn)，300MW 以下負荷5A 單引風(fēng)機運行正常，300MW 以上升負荷啟動5B 引風(fēng)機極易失速，且無法并列；在高負荷期間引風(fēng)機出力不足無法帶滿負荷問題。上述問題已嚴重影響機組的正常運行，亟需解決。

1 原因分析

選型參數(shù)和全壓（Pa）運行參數(shù)比較：額定負荷比較。選型BMCR/10050、選型BRL 工況/7650、實際運行612MW/9755；50%負荷比較。選型50%THA/2530、實際運行300MW/5325。由以上對比可看出，612MW 時引風(fēng)機實際運行全壓已經(jīng)接近BMCR 工況選型全壓，遠高于THA 工況選型全壓。300MW 工況引風(fēng)機實際運行全壓甚至是設(shè)計50%THA 工況全壓的2倍。

以上對比可看出，改造后風(fēng)機實際運行參數(shù)遠大于設(shè)計參數(shù)，尤其是實際運行全壓（系統(tǒng)阻力）遠高于設(shè)計全壓，而系統(tǒng)阻力出現(xiàn)較大變化。為解決以上問題，根據(jù)當前煙道布局，采用數(shù)值模擬的方法分析其煙道流場狀態(tài)，找出煙道阻力優(yōu)化空間，以期達到通過局部煙道優(yōu)化，降低引風(fēng)機出口阻力。

2 數(shù)值模擬選擇

2.1 數(shù)值模擬概念

數(shù)值模擬也叫計算機模擬。依靠電子計算機，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究。根據(jù)流體阻力計算情況，選用CFD 數(shù)值模擬方法開展。

2.2 CFD 方法簡介

CFD 是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體力學(xué)）的縮寫，是一門用數(shù)值計算方法求解流動主控方程以發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象規(guī)律的學(xué)科。計算流體力學(xué)和相關(guān)的計算傳熱學(xué)，計算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動量和自定義的標量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報流動、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過程的細節(jié)，并成為過程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計的有力工具。計算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計算機實驗，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學(xué)實驗設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響。

用CFD 技術(shù)進行數(shù)值求解的基本思想是：把原來在空間和時間坐標中連續(xù)的物理量的場，用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則來監(jiān)理離散點上的變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程，求解代數(shù)方程以活動所求變量的近似值。其只要用途是對流態(tài)進行數(shù)值仿真模擬計算，為了是數(shù)據(jù)結(jié)果更為直觀，將求解結(jié)果的速度場、流量場等用計算機模型表示出來。利用CFD 方法進行仿真模擬可以直接顯示煙道中流體的壓力、速度，從而進一步分析煙道中流體阻力情況，對煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇做出指導(dǎo)，為優(yōu)化改進煙道內(nèi)部結(jié)構(gòu)做出判定。

3 建模分析

模擬對象為勝利國電#5機組A、B 側(cè)濕式除塵器凈煙道出口的匯合煙箱，分析其內(nèi)部煙氣流場分布。圖1為該項目煙道布置設(shè)計圖。

圖1 煙道主視圖（左）、俯視圖（右）

3.1 建立數(shù)模

數(shù)值模擬方案及幾何模型。根據(jù)設(shè)計圖紙，建立全尺寸的三維模型，設(shè)定條件為：煙道采用全尺寸建模，入口位置為A/B 側(cè)脫硫塔出口水平煙道，出口位置為煙囪出口；分隔板、導(dǎo)流板采用無厚度壁面代替；煙氣勻速進入建模段兩個入口水平煙道，溫度30℃，煙氣組分根據(jù)原設(shè)計確定；數(shù)值模擬中的網(wǎng)格數(shù)量為141萬。

數(shù)學(xué)模型。整個煙道內(nèi)流場的數(shù)值模擬是通過CFD 軟件實現(xiàn)。模擬過程中數(shù)學(xué)模型的選取及邊界條件的處理方式主要包括：選用Standard k-ε 模型對湍流進行簡化模擬；邊界條件的設(shè)定：煙氣入口為速度入口，出口為壓力出口；該模型用有限體積法在離散的網(wǎng)格上進行求解。考慮到流速較快，求解過程中耦合進湍流求解模塊；邊界條件設(shè)置。數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置為：煙氣入口煙氣體積流量1393817m3/h，溫度30℃、出口壓力0Pa。

3.2 原始煙道流通形態(tài)分析

圖2 速度分布

圖3 總壓分布

通過模型與網(wǎng)格的建立和邊界條件的設(shè)置，首先計算原始煙道模型。原始狀態(tài)下煙道模型的計算結(jié)果：入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）546.2Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）685.2Pa。從模擬結(jié)果來看，風(fēng)機出口側(cè)兩股煙氣對沖，速度場、壓力場極不均勻，導(dǎo)致局部阻力高。

3.3 不同分隔與導(dǎo)流加裝模擬分析

設(shè)置分隔板。利用分隔板將兩股煙氣分開，可能是有效的降低煙道對沖、減少兩個入口的總壓壓降有效方式。在煙道內(nèi)增加分隔板將兩股煙氣分隔開來，入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）257.3Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）733.1Pa。從模擬結(jié)果來看，增加分隔板后，兩股煙氣相沖的現(xiàn)象已經(jīng)消失，但入口2的局部速度和總壓降反而有所增加。

圖4 分隔板煙道模型速度分布

圖5 分隔板煙道模型總壓分布

分隔板加導(dǎo)流板設(shè)置分析：單單在匯合集箱處設(shè)置分隔板，煙道1的速度分布與阻力情況明顯得到改善，但煙道2總壓壓降反而有所升高，反應(yīng)出局部阻力增加。為此在加裝分隔板的基礎(chǔ)上，對在如圖6的四個位置采用不同組合加裝導(dǎo)流板模式，通過數(shù)字計算模型模擬進行核算，得到對應(yīng)的速度分布與總壓分布，并根據(jù)分布情況對加裝位置和方式進行逐步優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)綜合比較選定較優(yōu)方案的模擬情況如下。

圖7 分隔板加導(dǎo)流板煙道模型

圖8 分隔板加導(dǎo)流板煙道模型速度分布

圖9 分隔板加導(dǎo)流板煙道模型全壓分布

計算模型：入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）237.7Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）281.1Pa。從模擬結(jié)果來看，優(yōu)化分隔板和導(dǎo)流板之后，最大流動速度下降，煙道1與煙道2的速度分布及總壓壓降匹配情況良好。

實施結(jié)論。根據(jù)數(shù)值模擬選擇分隔板+導(dǎo)流板方案并在2018年9月份小修進行工程施工，有效的降低了煙囪入口處局部阻力，解決了引風(fēng)機無法并列等問題。

4 結(jié)語

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)化選擇了有效的分隔板+導(dǎo)流板方案并進行實施，有效降低了煙道阻力，解決了引風(fēng)能力不足、雙引風(fēng)機易失速、無法并列的問題。通過此次工程實踐可發(fā)現(xiàn)，針對具體問題采用數(shù)值建模的方式，可在不進行大量投入的情況下，通過生動的圖片、既定條件的數(shù)值核算，發(fā)現(xiàn)其間存在的問題，并獲得可參考的解決方案，通過針對性的施工得以有效地解決實際問題。數(shù)值建模方式明顯減少試錯成本，其定量化的計算，為準確施工提供保證，為同類機組在流體動力特性改變或出現(xiàn)偏差條件下解決相似問題提供有益的參考，，具有較好的示范意義。