于 洋，陳煉非，叢東升，孫 豐，胡 南，2，3，吳玉新

(1.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021；2.長春工程學院能源與動力工程學院，長春 130012；3. 吉林省建筑能源供應及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，長春 130012；4.清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

0 引言

對于火力發(fā)電機組，煙氣離開鍋爐后，經(jīng)過除塵器、引風機、脫硫裝置以及煙囪等設備后排入大氣，煙道是連接各個設備的煙氣通道，除塵器前煙道是指鍋爐出口與除塵器入口之間的煙道。大型火電機組的鍋爐煙道出口有兩個，除塵器入口通常有4個，少數(shù)除塵器有6個入口(本文暫不考慮6個入口的情況)。常規(guī)設計是一個鍋爐出口連接兩個除塵器入口。由于鍋爐出口與除塵器入口標高、位置存在偏差，通常將煙道設計成y形，以減少流動阻力，但是y形煙道由于分流處結(jié)構并不對稱，會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道相關設計規(guī)范和估算煙風道阻力的方法[1-2]。但是y形煙道由于結(jié)構的特殊性，沒有通用的計算阻力和流量分配的經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)。因此，通過數(shù)值模擬的方法計算，能夠獲得更準確的計算結(jié)果。數(shù)值模擬方法也稱計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)，是一種由計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法和工具，其基本思想是把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量場用一系列離散點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上場變量值的集合及場變量之間關系的代數(shù)方程組，求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似解[3-5]。

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

1 設計方案與建模

本文以某600 MW機組除塵器前煙道為例進行分析。煙道設計參數(shù)見表1。煙道模型如圖1所示。直管定義為支路1，相應出口為出口1，外申管定義為支路2，相應出口為出口2。

表1 y形煙道主要設計參數(shù)

計算采用不可壓假定，求解計算域內(nèi)的質(zhì)量方程、動量方程和能量方程；湍流模型采用雙方程k-ε模型，該模型具有收斂性好，計算量較小的優(yōu)點，是該類工程流場計算中最常用的湍流模型，具有較高的準確度。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準壁函數(shù)。為降低計算量及網(wǎng)格劃分難度，計算域僅考慮煙道的主體結(jié)構，忽略內(nèi)撐等煙道內(nèi)部結(jié)構，因此該計算結(jié)果的阻力與實際阻力存在一定偏差，但該偏差較小，并不影響對煙道流場特性的預測以及煙道結(jié)構優(yōu)化的結(jié)果。

圖1 煙道模型示意圖

2 結(jié)果及流場分析

針對常規(guī)煙道設計方案，計算入口煙氣流速16 m/s、10 m/s、6 m/s 3個工況，如圖2～3所示，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個工況下，兩個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機組設計工況下，不考慮內(nèi)撐等內(nèi)部構件，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)部流場云圖。一方面，在煙道分流處，煙氣流速產(chǎn)生了嚴重不均，大部分煙氣直接進入支路1，導致支路1流量較高，同時，由于折角的存在導致進入支路2的煙氣產(chǎn)生了嚴重的流動偏差，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，其中第二個彎頭處存在嚴重流動偏差。根據(jù)DL/T 5240—2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設計計算技術規(guī)程》，本算例Z形組合彎頭的阻力要在單獨彎頭阻力系數(shù)C0′基礎上額外考慮急轉(zhuǎn)彎組合阻力系數(shù)，約為2.86。因此，對分流處及Z形組合彎頭處流場進行優(yōu)化，是解決流動均勻性、降低阻力的關鍵。

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)化設計方案

針對上節(jié)所述，需要對煙道內(nèi)部進行必要的結(jié)構改造，改變煙道內(nèi)流場分布。主要考慮在煙氣分流處增加導流板，使煙氣均勻進入兩支路；在支路2設置導流，提高煙氣在其中分布的均勻性；在Z形組合彎頭設置導流，降低阻力。對不同優(yōu)化措施進行數(shù)值模擬分析，分為以下幾個對比方案：

方案一，常規(guī)設計方案；方案二，在方案一基礎上，分流處加導流板，導流擋板自由端位置處于煙道中心處；方案三，在方案二基礎上，對支路2彎頭處設置導流板；方案四，在方案三基礎上，對Z形組合彎頭設置導流板。

4 優(yōu)化計算結(jié)果

圖6為不同方案下分流和支路部分流場計算結(jié)果。在分流處增加導流擋板后，兩支路出口流速明顯相近，支路2內(nèi)部流動均勻性大大改善，彎頭產(chǎn)生的低速區(qū)減小。在支路2增加導流后，支路2內(nèi)部低速區(qū)進一步減小，流動均勻性進一步改善。

方案一 方案二 方案三圖6 不同方案支路流場對比(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，方案三的流動均勻性得到進一步提高，能夠達到除塵器制造商對流動均勻性的要求。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形組合彎頭加導流前后流場對比計算結(jié)果?？梢钥闯?，在增加導流后，上部彎頭的流動不均勻性得到明顯改善，彎頭后續(xù)流動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)設計計算技術規(guī)程》，本算例Z形組合彎頭的阻力要在單獨彎頭阻力系數(shù)基礎上額外考慮急轉(zhuǎn)彎組合阻力系數(shù)C0′=2.86，對于獨立彎頭，在增加兩塊導流片后，可在此基礎上考慮附加阻力系數(shù)f1=0.165，說明本計算結(jié)果中阻力明顯下降是符合工程設計經(jīng)驗數(shù)據(jù)的。

方案一 方案四圖8 不同方案Z形組合彎頭流場對比(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)煙氣的流動特性，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)y形煙道結(jié)構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)構產(chǎn)生了較大的流動偏差，且Z形組合彎頭對流場均勻性造成了破壞。

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