除塵器前煙道數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)

于 洋，陳煉非，叢東升，孫 豐，胡 南，2，3，吳玉新

(1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；3. 吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長(zhǎng)春 130012；4.清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

對(duì)于火力發(fā)電機(jī)組，煙氣離開鍋爐后，經(jīng)過除塵器、引風(fēng)機(jī)、脫硫裝置以及煙囪等設(shè)備后排入大氣，煙道是連接各個(gè)設(shè)備的煙氣通道，除塵器前煙道是指鍋爐出口與除塵器入口之間的煙道。大型火電機(jī)組的鍋爐煙道出口有兩個(gè)，除塵器入口通常有4個(gè)，少數(shù)除塵器有6個(gè)入口(本文暫不考慮6個(gè)入口的情況)。常規(guī)設(shè)計(jì)是一個(gè)鍋爐出口連接兩個(gè)除塵器入口。由于鍋爐出口與除塵器入口標(biāo)高、位置存在偏差，通常將煙道設(shè)計(jì)成y形，以減少流動(dòng)阻力，但是y形煙道由于分流處結(jié)構(gòu)并不對(duì)稱，會(huì)造成流量分配不均勻的問題，因此，一些工程中除塵器廠家并不同意這一布置方案。

目前在工程上有煙風(fēng)道相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和估算煙風(fēng)道阻力的方法[1-2]。但是y形煙道由于結(jié)構(gòu)的特殊性，沒有通用的計(jì)算阻力和流量分配的經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)。因此，通過數(shù)值模擬的方法計(jì)算，能夠獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。數(shù)值模擬方法也稱計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)，是一種由計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具，其基本思想是把原來在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量場(chǎng)用一系列離散點(diǎn)上變化值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起反映這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量值的集合及場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似解[3-5]。

本文通過數(shù)值模擬的方法，分析某600 MW機(jī)組y形煙道的流場(chǎng)特性、阻力以及流量分配情況，并提出優(yōu)化改進(jìn)措施，提高煙氣進(jìn)入除塵器分配的均勻性，并減少流動(dòng)阻力。

1 設(shè)計(jì)方案與建模

本文以某600 MW機(jī)組除塵器前煙道為例進(jìn)行分析。煙道設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。煙道模型如圖1所示。直管定義為支路1，相應(yīng)出口為出口1，外申管定義為支路2，相應(yīng)出口為出口2。

表1 y形煙道主要設(shè)計(jì)參數(shù)

計(jì)算采用不可壓假定，求解計(jì)算域內(nèi)的質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程；湍流模型采用雙方程k-ε模型，該模型具有收斂性好，計(jì)算量較小的優(yōu)點(diǎn)，是該類工程流場(chǎng)計(jì)算中最常用的湍流模型，具有較高的準(zhǔn)確度。入口采用恒定入口速度邊界條件，出口1和出口2采用等壓力邊界條件，壁面采用無滑移模型及標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)。為降低計(jì)算量及網(wǎng)格劃分難度，計(jì)算域僅考慮煙道的主體結(jié)構(gòu)，忽略內(nèi)撐等煙道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此該計(jì)算結(jié)果的阻力與實(shí)際阻力存在一定偏差，但該偏差較小，并不影響對(duì)煙道流場(chǎng)特性的預(yù)測(cè)以及煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果。

圖1 煙道模型示意圖

2 結(jié)果及流場(chǎng)分析

針對(duì)常規(guī)煙道設(shè)計(jì)方案，計(jì)算入口煙氣流速16 m/s、10 m/s、6 m/s 3個(gè)工況，如圖2～3所示，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)工況下，兩個(gè)出口流量偏差都很大，出口1的流量都是出口2的2倍左右。隨流速增加，阻力成平方指數(shù)增加，如圖4所示。在600 MW機(jī)組設(shè)計(jì)工況下，不考慮內(nèi)撐等內(nèi)部構(gòu)件，煙道阻力約為300 Pa。

圖2 出口流量分配

圖5為煙道中心線位置的內(nèi)部流場(chǎng)云圖。一方面，在煙道分流處，煙氣流速產(chǎn)生了嚴(yán)重不均，大部分煙氣直接進(jìn)入支路1，導(dǎo)致支路1流量較高，同時(shí)，由于折角的存在導(dǎo)致進(jìn)入支路2的煙氣產(chǎn)生了嚴(yán)重的流動(dòng)偏差，在煙道一側(cè)流量較高，而另一側(cè)流量很低。另一方面，從鍋爐出口至分流管路前，是典型的Z形組合彎頭，其中第二個(gè)彎頭處存在嚴(yán)重流動(dòng)偏差。根據(jù)DL/T 5240—2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》，本算例Z形組合彎頭的阻力要在單獨(dú)彎頭阻力系數(shù)C0′基礎(chǔ)上額外考慮急轉(zhuǎn)彎組合阻力系數(shù)，約為2.86。因此，對(duì)分流處及Z形組合彎頭處流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，是解決流動(dòng)均勻性、降低阻力的關(guān)鍵。

圖3 出口流量分配比例

圖4 不同煙氣流速下煙道阻力

圖5 煙道內(nèi)部流速分布云圖(入口流速10 m·s-1)

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上節(jié)所述，需要對(duì)煙道內(nèi)部進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)改造，改變煙道內(nèi)流場(chǎng)分布。主要考慮在煙氣分流處增加導(dǎo)流板，使煙氣均勻進(jìn)入兩支路；在支路2設(shè)置導(dǎo)流，提高煙氣在其中分布的均勻性；在Z形組合彎頭設(shè)置導(dǎo)流，降低阻力。對(duì)不同優(yōu)化措施進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分為以下幾個(gè)對(duì)比方案：

方案一，常規(guī)設(shè)計(jì)方案；方案二，在方案一基礎(chǔ)上，分流處加導(dǎo)流板，導(dǎo)流擋板自由端位置處于煙道中心處；方案三，在方案二基礎(chǔ)上，對(duì)支路2彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板；方案四，在方案三基礎(chǔ)上，對(duì)Z形組合彎頭設(shè)置導(dǎo)流板。

4 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

圖6為不同方案下分流和支路部分流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。在分流處增加導(dǎo)流擋板后，兩支路出口流速明顯相近，支路2內(nèi)部流動(dòng)均勻性大大改善，彎頭產(chǎn)生的低速區(qū)減小。在支路2增加導(dǎo)流后，支路2內(nèi)部低速區(qū)進(jìn)一步減小，流動(dòng)均勻性進(jìn)一步改善。

方案一 方案二 方案三圖6 不同方案支路流場(chǎng)對(duì)比(入口流速16 m·s-1)

從圖7可以看出，方案二的兩支路分配均勻性已經(jīng)得到明顯改善，方案三的流動(dòng)均勻性得到進(jìn)一步提高，能夠達(dá)到除塵器制造商對(duì)流動(dòng)均勻性的要求。而阻力方面，方案二和方案三均較方案一有明顯下降，分別降低18%和22%。

圖7 不同方案出口流量分配

圖8為Z形組合彎頭加導(dǎo)流前后流場(chǎng)對(duì)比計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯谠黾訉?dǎo)流后，上部彎頭的流動(dòng)不均勻性得到明顯改善，彎頭后續(xù)流動(dòng)均勻性也得到明顯提高。如圖9所示，方案四中，煙道阻力下降更加明顯，僅為方案一阻力的47%。DL/T 5240—2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》，本算例Z形組合彎頭的阻力要在單獨(dú)彎頭阻力系數(shù)基礎(chǔ)上額外考慮急轉(zhuǎn)彎組合阻力系數(shù)C0′=2.86，對(duì)于獨(dú)立彎頭，在增加兩塊導(dǎo)流片后，可在此基礎(chǔ)上考慮附加阻力系數(shù)f1=0.165，說明本計(jì)算結(jié)果中阻力明顯下降是符合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的。

方案一 方案四圖8 不同方案Z形組合彎頭流場(chǎng)對(duì)比(入口流速16 m·s-1)

圖9 不同方案出口壓降

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬，分析了y形除塵器前煙道內(nèi)煙氣的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)y形煙道結(jié)構(gòu)存在明顯的流量分配不均問題，兩出口流量相差1倍以上。原因在于煙道分流處的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的流動(dòng)偏差，且Z形組合彎頭對(duì)流場(chǎng)均勻性造成了破壞。

本文提出3處優(yōu)化改進(jìn)措施，分別是分流處加導(dǎo)流板，導(dǎo)流擋板自由端位置處于煙道中心處；對(duì)支路2彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板；對(duì)Z形組合彎頭設(shè)置導(dǎo)流板。模擬結(jié)果顯示，增加導(dǎo)流措施后，可有效提高煙氣進(jìn)入除塵器分配的均勻性，消除流動(dòng)偏差，同時(shí)使得流動(dòng)阻力下降一半以上。