電站鍋爐脫硫出口煙道數(shù)值模擬及優(yōu)化

汪海軍，閆海斌，馬升，馬國偉

（1?華能酒泉發(fā)電有限公司，甘肅酒泉 735000；2?國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，寧夏 銀川 750002）

0 引言

某公司鍋爐的超超臨界參數(shù)變壓運行直流爐采用Π型布置，單爐膛，一次再熱，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，緊封密閉布置，聯(lián)合側(cè)煤倉，全鋼構(gòu)架，全懸吊結(jié)構(gòu)，低NOX主燃燒器，四角切圓燃燒方式。運行中發(fā)現(xiàn)，在機組75%及以上負(fù)荷時脫硫塔出口的煙道頻繁發(fā)生不規(guī)律振動、噪聲等問題，經(jīng)現(xiàn)場勘查，分析，擬采用FLUENT軟件[1]進(jìn)行數(shù)值模擬，找出產(chǎn)生該問題的具體原因，通過對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，最終選擇一組最適合本系統(tǒng)的改造方案，對脫硫出口煙道進(jìn)行優(yōu)化改造[2]，并且對改造效果進(jìn)行了評價。

1 脫硫出口煙道的優(yōu)化

1.1 幾何模型

通過數(shù)值模擬[3]確定不同位置基本參數(shù)的分布，渦流分布特性及脫流區(qū)等，根據(jù)現(xiàn)場的煙道布置，對其進(jìn)行1:1三維建模[4]，最終的模型如圖1所示。

圖1 原結(jié)構(gòu)物理模型

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

由于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煙道密集、狹長,為了節(jié)省計算資源，將除霧器模塊本體按多孔介質(zhì)進(jìn)行簡化[5]，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后最終網(wǎng)格數(shù)約為112萬。原結(jié)構(gòu)模擬的目的主要是找出脫硫出口處流場分布不合理的區(qū)域，并對流場分布狀況進(jìn)行分析，為后續(xù)流場優(yōu)化提供技術(shù)準(zhǔn)備。因脫硫塔內(nèi)雨區(qū)、上方除霧器均具有良好的整流功能，故入口邊界條件設(shè)置為均勻入口，速度值按設(shè)計工況下的煙氣量進(jìn)行計算，出口邊界設(shè)置為壓力出口[6-7]。原結(jié)構(gòu)邊界條件參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 原結(jié)構(gòu)邊界條件參數(shù)匯總

2 煙道流場模擬結(jié)果

建立模型并確定邊界條件后，使用求解器完成模擬計算工作，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。原結(jié)構(gòu)不同視角流線圖、脫硫出口截面軸向流速分布云圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 優(yōu)化前不同視角流線分布

圖3 優(yōu)化前脫硫出口截面速度分布云

由圖2、圖3可以看出，原結(jié)構(gòu)在脫硫出口煙道存在擴張段，擴張段煙道向四面擴張，導(dǎo)致在此段煙道流線極為紊亂，四周近壁側(cè)存在大面積低速渦流區(qū)、高速斜向流動區(qū)。氣流通量主要集中在煙道中間部分，即軸向流速較高，造成脫硫出口流速分布不均勻，這是導(dǎo)致脫硫出口煙道產(chǎn)生渦流、振動等問題的主要原因。

為了對脫硫出口截面煙氣的流場分布狀況進(jìn)行定量分析，采用速度標(biāo)準(zhǔn)偏差公式[8]計算脫硫出口截面速度不均勻系數(shù)，具體數(shù)值如表2所示。

表2 原結(jié)構(gòu)入口截面速度數(shù)值統(tǒng)計

由表2可以看出：原結(jié)構(gòu)脫硫出口截面速度分布不均勻系數(shù)為21?5%，流速分布不均勻系數(shù)已超過15%，不滿足常規(guī)的要求[9]。

3 優(yōu)化方案及分析

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析結(jié)果，原結(jié)構(gòu)脫硫出口流速分布不均的主要原因是該部位存在擴張段，且在此處無導(dǎo)流裝置。根據(jù)對原結(jié)構(gòu)的模擬分析，將在脫硫出口的擴張段煙道處增加導(dǎo)流板，以達(dá)到均流的作用。在通過嘗試多種不同優(yōu)化方案模擬后，確定的最終優(yōu)化方案的物理模型如圖4所示。即在擴張段煙道沿?zé)煹栏叨确较颍ㄉ蟼?cè)至下側(cè)方向）增加9塊直導(dǎo)流板（圖中新增導(dǎo)流板1），在擴張段煙道沿寬度方向（前墻側(cè)至后墻側(cè)方向）增加8塊直導(dǎo)流板（圖中新增導(dǎo)流板2），新增導(dǎo)流板1、2合在一起構(gòu)成向脫硫出口煙道四周擴展的導(dǎo)流格柵[10-11]。

圖4 優(yōu)化后物理模型

3.2 結(jié)果分析

為了系統(tǒng)評價優(yōu)化后流場的改造效果，對優(yōu)化后的脫硫出口煙道流場分布做了分析。優(yōu)化

后不同視角流線如圖5、圖6所示[12]。

圖5 優(yōu)化后不同視角流線分布

圖6 優(yōu)化后脫硫出口截面速度分布云

由圖5至圖6可以看出：優(yōu)化后煙道內(nèi)部流場得到了很好的改善，使脫硫出口的擴張段煙道處煙氣充滿度更高，尤其是靠近壁面處的低速渦流區(qū)得到大幅減小；氣流全速度與軸向速度的接近度趨好，脫硫出口流速分布相比原結(jié)構(gòu)更為均勻[13]。優(yōu)化后整個脫硫系統(tǒng)阻力下降200 Pa，引風(fēng)機電流平均下降10 A，脫硫系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性均有效提升。優(yōu)化后煙道數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。

表3 優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計

由表3可以看出：優(yōu)化后的脫硫出口截面速度不均勻系數(shù)為10?9%（優(yōu)化前為21?5%），較優(yōu)化前改善明顯，且相比原結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后脫硫出口處的流場分布更為均勻[14-15]。

4 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬找出脫硫出口處流場分布不合理的區(qū)域，并對流場分布狀況進(jìn)行分析，為后續(xù)流場優(yōu)化提供技術(shù)準(zhǔn)備。

2）根據(jù)原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析結(jié)果，原結(jié)構(gòu)脫硫出口流速分布不均的主要原因是該部位存在擴張段，且在此處無導(dǎo)流裝置。

3）優(yōu)化后煙道內(nèi)部流場得到了很好的改善，相比原結(jié)構(gòu)，脫硫出口氣流全速度與軸向速度的接近度趨好，流速分布相比原結(jié)構(gòu)更為均勻，脫硫系統(tǒng)阻力下降200 Pa,電流下降10 A。

4）煙道系統(tǒng)優(yōu)化改造后的良好效果進(jìn)一步驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，證明數(shù)值模擬的結(jié)果具有指導(dǎo)煙道系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化改造的價值。