1000MW燃煤機組引風(fēng)機進出口煙道流場分析及優(yōu)化研究

國能（連江）港電有限公司 韓 鵬 衛(wèi)國慶 西安熱工研究院有限公司 趙 鵬 王小華

1 引言

燃煤機組尾部煙道由于場地受限、設(shè)備改造等原因，存在系統(tǒng)設(shè)計不完善、煙道結(jié)構(gòu)不合理等問題，對煙氣的流動阻力和設(shè)備的運行狀態(tài)均有不利影響[1]。對于引風(fēng)機進出口煙道，煙道內(nèi)部煙氣流場失衡，造成氣流對沖、流動紊亂、偏流渦流等，引起流動阻力上升、引風(fēng)機運行不穩(wěn)，嚴(yán)重時會造成煙道和引風(fēng)機振動、引風(fēng)機失速及出力不足等問題[2-4]。

隨著CFD數(shù)值模擬技術(shù)的成熟，國內(nèi)外諸多學(xué)者利用數(shù)值模擬計算進行了燃煤機組風(fēng)煙道流場優(yōu)化設(shè)計。馬海彥等[5]采用流體動力學(xué)計算軟件對某1060MW機組引風(fēng)機至脫硫塔之間煙道的流場進行數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計，解決了引風(fēng)機振動問題并使煙道阻力大幅降低。任仰成等[6]針對某660MW機組引風(fēng)機振動、異音問題，采用計算流體力學(xué)軟件對電除塵至引風(fēng)機段煙道、引風(fēng)機至脫硫段煙道進行模擬分析和優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化實施后，解決了引風(fēng)機振動和異音問題。王羽[7]針對某660MW機組鍋爐節(jié)能減排改造后出現(xiàn)的低省磨損、引風(fēng)機機殼及煙道振動問題，通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬進行了診斷及優(yōu)化，取得了顯著效果。

某新建1000MW燃煤機組引風(fēng)機進出口煙道采用非常規(guī)緊湊式布置，為避免煙道內(nèi)部流場擾動引起風(fēng)機或煙道振動，本文采用數(shù)值模擬進行了流場分析及導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計，以提高引風(fēng)機進出口流場分布均勻性，減少各通道間煙氣相互沖撞、擠壓、干擾及局部渦流，從根源上消除因氣流擾動引起煙道及風(fēng)機振動風(fēng)險，降低煙道阻力，為同類機組引風(fēng)機進出口流場優(yōu)化設(shè)計提供重要參考。

2 研究對象及數(shù)值模擬方法

2.1 研究對象

1000MW等級機組單側(cè)引風(fēng)機進口一般由三股煙道匯合，但不同電廠的匯合方式有所不同。本文研究的某新建1000MW燃煤機組引風(fēng)機進出口煙道的三維建模如圖1所示。除塵器出口三股煙道分別從左側(cè)、中間、右側(cè)直接匯合到一個煙道后進入引風(fēng)機，兩側(cè)引風(fēng)機出口煙道經(jīng)90°彎頭匯合后進入脫硫塔，目前尚未見到類似特殊布置的引風(fēng)機進出口煙道流場相關(guān)研究。

圖1 引風(fēng)機進出口煙道三維模型

2.2 數(shù)值模擬計算模型

數(shù)值模擬按電除塵出口至引風(fēng)機進口和引風(fēng)機出口至脫硫塔入口兩端分別進行，采用Navier-Stokes方程和Realizable k-ε湍流模型求解風(fēng)道內(nèi)的流場[8-9]。工作介質(zhì)為不可壓縮理想氣體，采用速度入口、壓力出口和無滑移的壁面邊界條件。以機組鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量煙氣參數(shù)設(shè)置邊界條件，電除塵出口煙氣流速為14.7m/s，引風(fēng)機進口壓力為-6000Pa，煙溫為398K；引風(fēng)機出口煙氣流速為35.7m/s，脫硫塔入口壓力為3500Pa，煙溫為398K。

3 現(xiàn)有煙道結(jié)構(gòu)流場診斷

根據(jù)現(xiàn)有煙道結(jié)構(gòu)模型和現(xiàn)場勘查分析，現(xiàn)有煙道具有以下特點：一是除塵器出口三股煙道匯合處無導(dǎo)流板，此種結(jié)構(gòu)煙道在匯合區(qū)域煙氣將相互沖撞，造成擾動；二是兩側(cè)引風(fēng)機出口彎頭處均已布置合適數(shù)量的導(dǎo)流板，但是導(dǎo)流板為光板，無加強筋，長期運行后導(dǎo)流板可能出現(xiàn)變形、撕裂；三是引風(fēng)機出口緊接方圓節(jié)、關(guān)斷門和90°彎頭，未布置足夠的直管段過渡，該種布置對風(fēng)機內(nèi)部流場會產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。

現(xiàn)有煙道結(jié)構(gòu)下引風(fēng)機進口段煙氣流場俯視、前視和側(cè)視方向分布圖如圖2所示，由計算結(jié)果俯視圖可以發(fā)現(xiàn)，在電除塵出口三合一處三股氣流匯合到一起，相互沖撞、擠壓，局部形成渦流，使煙氣流動阻力顯著增大，且渦流的存在可能造成煙道結(jié)構(gòu)的低頻振動；在前視圖里，煙氣匯合后集中在中間區(qū)域，兩側(cè)煙氣量少，在側(cè)視圖里，煙氣集中在中后區(qū)域，在寬度和深度方向均存在煙氣分布不均的問題，使實際通流面積遠小于煙道截面積，煙氣在流經(jīng)該區(qū)域的過程中速度重新分布引起的加速、減速或回流以及介質(zhì)煙氣質(zhì)點間劇烈碰撞的動量交換等引起能量損失，增加流動的不穩(wěn)定性，可能影響引風(fēng)機的正常運行。該段煙道阻力為258Pa，引風(fēng)機進口處速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.4%。

圖2 引風(fēng)機進口段煙道流場分布

引風(fēng)機出口段煙氣流場分布圖如圖3所示，在引風(fēng)機出口關(guān)斷門及90°彎頭附近流場較為紊亂，主要原因是關(guān)斷門和彎頭距離風(fēng)機本體較近，氣流經(jīng)風(fēng)機做功后具有周向的切向速度，經(jīng)關(guān)斷門擾動產(chǎn)生氣流紊亂區(qū)，且彎頭處容易發(fā)生邊界層分離。由于在90°彎頭處已經(jīng)設(shè)計有導(dǎo)流板，兩股煙氣匯合處只有少量煙氣沖撞。該段煙道阻力為97Pa，脫硫塔入口處速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為22.7%。

圖3 引風(fēng)機出口段煙道流場分布

根據(jù)上文數(shù)值模擬計算結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有煙道內(nèi)部流場存在以下問題：

一是風(fēng)機入口段三合一空腔處無導(dǎo)流板，三股煙氣互相沖撞擠壓，導(dǎo)致流場十分紊亂，局部形成渦流，可能造成煙道結(jié)構(gòu)的低頻振動以及流動過程中出現(xiàn)異音。

二是風(fēng)機出口煙道及關(guān)斷門布置不合理。關(guān)斷門和90°彎頭距離風(fēng)機出口很近，一方面經(jīng)過風(fēng)機做功后具有周向切向速度的氣流會對關(guān)斷門產(chǎn)生劇烈的沖擊，使得關(guān)斷門本身產(chǎn)生故障；另一方面，氣流沖擊關(guān)斷門后發(fā)生邊界層分離，產(chǎn)生氣流紊亂區(qū)，對風(fēng)機出口附近流場產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，嚴(yán)重時可引起風(fēng)機本體振動。

三是現(xiàn)有風(fēng)機出口第一個90°彎頭位置導(dǎo)流板設(shè)計較大，并且導(dǎo)流板無加強筋，受到風(fēng)機出口氣流的沖擊力后，可能出現(xiàn)導(dǎo)流板松動、撕裂，造成流場紊亂。

4 引風(fēng)機進出口煙道流場優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案

為了改善現(xiàn)有煙道內(nèi)部流場分布均勻性并降低煙道阻力，根據(jù)引風(fēng)機進出口煙道現(xiàn)有結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計算結(jié)果設(shè)計了優(yōu)化方案，如圖4所示。在引風(fēng)機進口三合一匯合處，設(shè)計了三組導(dǎo)流板，每組導(dǎo)流板分別起到導(dǎo)流對應(yīng)支煙道煙氣作用，避免三股煙氣互相沖撞、擠壓。在引風(fēng)機出口，將關(guān)斷門處煙道以及彎頭處導(dǎo)流板進行加固，在出口煙道匯合段增加隔流板，以防止關(guān)斷門處煙道振動、導(dǎo)流板撕裂，并避免兩股煙氣互相干擾。

圖4 引風(fēng)機進出口煙道優(yōu)化方案

4.2 優(yōu)化后流場分布

引風(fēng)機進口煙道優(yōu)化后煙氣流場分布如圖5所示，該方案可以達到三股氣流相對獨立流動的效果，整段煙道流場在前視和俯視方向上分布均勻性大幅改善，煙氣流動平順，煙氣充滿度良好，不再沖撞擠壓。優(yōu)化后煙道阻力為125Pa，引風(fēng)機進口處速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.9%，具有明顯的降阻和均流效果。

圖5 引風(fēng)機進口煙道優(yōu)化設(shè)計后流場分布

引風(fēng)機出口煙道優(yōu)化后煙氣流場分布如圖6所示，引風(fēng)機出口煙道整體流場沒有明顯變化，與原始流場大體相似，但是增加中間隔流板后可以避免兩股煙氣沖撞，減小由于煙氣沖撞引起振動的風(fēng)險。針對關(guān)斷門處的煙道和彎頭處導(dǎo)流板的加固，在流場分布上無法體現(xiàn)，但是在長期運行后，關(guān)斷門或?qū)Я靼逅蓜右鸬恼駝訉⒌靡员苊?，防患于未然。由于該段煙道在彎頭處目前已經(jīng)布置了導(dǎo)流板，煙道阻力較低，優(yōu)化設(shè)計主要為增加中隔板以及加固導(dǎo)流板和煙道，降阻效果有限，優(yōu)化后阻力為94Pa。

圖6 引風(fēng)機出口煙道優(yōu)化設(shè)計后流場分布

5 改造前后試驗結(jié)果

為驗證優(yōu)化效果，在改造前后進行了摸底測試和性能試驗，測試內(nèi)容包括：電除塵出口至引風(fēng)機進口段煙道阻力、引風(fēng)機進口煙氣流速分布、脫硫塔入口煙氣流速分布。

改造前摸底測試結(jié)果表明引風(fēng)機進口流速分布偏差較大，A側(cè)流速范圍為21.7～33.9m/s，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.6%，B側(cè)流速范圍為22.3～36.0m/s，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.1%，流速分布呈現(xiàn)從前墻往后墻逐漸升高的趨勢。電除塵出口A/B側(cè)靜壓平均值分別為-3.21kPa/-3.25kPa，引風(fēng)機進口A/B側(cè)靜壓平均值分別為-3.51kPa/-3.52kPa，電除塵出口至引風(fēng)機進口阻力平均值為283Pa。脫硫塔入口流速分布范圍為6.4～20.3m/s，呈現(xiàn)上部高于下部，中間高于兩側(cè)的規(guī)律，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為24.2%。

優(yōu)化改造后，引風(fēng)機進口A側(cè)流速范圍為25.5～33.5m/s，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.0%，B側(cè)流速范圍為27.6～36.2m/s，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.7%，流速分布均勻性與改造前相比大幅改善，電除塵出口至引風(fēng)機進口阻力平均值為146Pa，與改造前相比降低了137Pa。脫硫塔入口流速分布范圍為7.3～21.0m/s，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為20.0%。通過對引風(fēng)機進出口煙道流場分析和優(yōu)化研究，達到了提高引風(fēng)機進出口流場分布均勻性，減小流動阻力的目的，改造后引風(fēng)機長期安全運行，未出現(xiàn)振動問題。

6 結(jié)論

本文以某新建百萬燃煤機組為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬對一種非常規(guī)緊湊式布置引風(fēng)機進出口煙道進行了流場分析和優(yōu)化設(shè)計，結(jié)論如下：

一是現(xiàn)有煙道結(jié)構(gòu)下，引風(fēng)機進口三合一匯合處三股煙氣互相沖撞、擠壓造成的局部渦流；引風(fēng)機出口煙道關(guān)斷門處流場紊亂，現(xiàn)有導(dǎo)流板剛性差，并在兩側(cè)煙道匯合處存在部分氣流沖撞。

二是針對現(xiàn)有煙道流場問題，提出了優(yōu)化設(shè)計方案，在引風(fēng)機進口三合一匯合處，設(shè)計了三組導(dǎo)流板，每組導(dǎo)流板分別起到導(dǎo)流對應(yīng)支煙道煙氣作用，避免三股煙氣互相沖撞、擠壓；在引風(fēng)機出口，將關(guān)斷門處煙道以及彎頭處導(dǎo)流板進行加固，在出口煙道匯合段增加隔流板，以防止關(guān)斷門處煙道振動、導(dǎo)流板撕裂，并避免兩股煙氣互相干擾。

三是優(yōu)化方案實施后，引風(fēng)機進口A/B側(cè)煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6.0%/5.7%，脫硫塔入口煙氣速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為20.0%，流場分布均勻性與改造前相比大幅改善。引風(fēng)機進口煙道阻力降低了137Pa，引風(fēng)機長期安全運行，未出現(xiàn)振動問題。