馬鵬飛1,張 選1，賈瑞龍1，王立新1，尚 慶，閆金山，閆 溟，田俊武

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙 準(zhǔn)格爾旗薛家灣 010399；2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引 言

為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，改善大氣環(huán)境質(zhì)量[1-2]，加快現(xiàn)役煤電的超低排放改造步伐，許多針對(duì)煙氣污染物超低排放技術(shù)的研究工作得到開(kāi)展[3-4]，全國(guó)各地已建電廠也均在進(jìn)行相關(guān)工作，對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)與改造。煙道在電廠設(shè)備中屬于重要部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的煙道能夠?qū)φ麄€(gè)煙氣運(yùn)行系統(tǒng)帶來(lái)有益的作用[5-6]，為此，文中將研究重點(diǎn)放在煙道構(gòu)型方面。電廠現(xiàn)有煙道中的煙氣流動(dòng)與結(jié)構(gòu)問(wèn)題較復(fù)雜，文中將基于空氣動(dòng)力學(xué)原理，綜合運(yùn)用流體力學(xué)三維計(jì)算仿真、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量、專業(yè)設(shè)計(jì)等手段，進(jìn)行煙道構(gòu)型的分析。初步看，當(dāng)前煙道布置過(guò)于緊湊，急彎多，矩形煙道內(nèi)部支撐過(guò)多，煙道內(nèi)氣體流動(dòng)漩渦太多，導(dǎo)致煙道系統(tǒng)阻力較大，甚至影響到后續(xù)的布袋除塵器入口煙氣不均衡情況，導(dǎo)致生產(chǎn)能耗指標(biāo)高。文中將結(jié)合使用CFD數(shù)值仿真手段，在大規(guī)模計(jì)算機(jī)集群上，對(duì)煙道進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，以期實(shí)現(xiàn)CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)煙道優(yōu)化的指導(dǎo)。

1 4#機(jī)組煙道模型

電廠4#機(jī)組的鍋爐尾部煙氣分成兩路平行通道，分別沿著兩臺(tái)空預(yù)器，流經(jīng)兩路結(jié)構(gòu)對(duì)稱設(shè)計(jì)的煙道，進(jìn)入兩路布袋除塵器，在兩路煙道之間設(shè)置有聯(lián)箱。實(shí)物照片如圖1所示，左圖為大致側(cè)視煙道實(shí)物照片，右圖為大致俯視煙道實(shí)物照片。另機(jī)組圍墻內(nèi)還有部分煙道結(jié)構(gòu)未給出，但其大概構(gòu)型可在圖2中看到。圖2給出了所研究煙道的CFD數(shù)值計(jì)算仿真網(wǎng)格建模，由于在煙道內(nèi)多處有內(nèi)部支撐桿，所以建模網(wǎng)格量較大，圖2(a)給出了煙道網(wǎng)格建模的上側(cè)視圖，圖2(b)給出了煙道網(wǎng)格建模的底側(cè)視圖，圖中可以看到四個(gè)灰斗，上方是兩路空預(yù)器，煙氣經(jīng)過(guò)兩路空預(yù)器之后，分別水平拐彎，在經(jīng)過(guò)直角彎頭，并爬升至后面的布袋除塵器入口，在爬升之前有矩形聯(lián)箱將兩路煙氣聯(lián)通。圖中網(wǎng)格較密集的部位是安裝內(nèi)部支撐桿的位置，為了準(zhǔn)確模擬支撐桿附近的煙氣流動(dòng)情況，該位置都進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理。

圖1 準(zhǔn)能矸石電廠4#機(jī)組煙道實(shí)物照片

圖2 準(zhǔn)能矸石電廠4#機(jī)組煙道CFD數(shù)值計(jì)算仿真網(wǎng)格建模

2 數(shù)值計(jì)算理論方法

煙氣在彎曲煙道內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，流動(dòng)本身經(jīng)過(guò)彎頭或彎曲部件會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離漩渦，流經(jīng)煙道內(nèi)部許多的支撐桿也會(huì)產(chǎn)生很大的擾動(dòng)，這些都使得煙道壓力降低較多，對(duì)煙道的阻力影響很大。文中數(shù)值計(jì)算仿真過(guò)程中采用了工程上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)k-雙方程模型[7]模擬煙氣湍流流動(dòng)，使用隨機(jī)軌道模型[8]模擬粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算格式使用了二階迎風(fēng)格式，主要流動(dòng)控制方程如下。

質(zhì)量方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

控制方程可以轉(zhuǎn)換為通用形式：

(4)

φ表示為通用變量，分別代表密度、速度和組分還有焓。源項(xiàng)如下：

(5)

計(jì)算使用了k-ε模型，建立它們的方程有：

μT=cμρk2/ε

ε方程為：

(6)

k方程為：

(7)

煙氣中粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)方程，設(shè)正x方向垂直向下，考慮到作用在顆粒上的力主要是氣相阻力和重力，其它力相對(duì)較小可忽略不計(jì)，則描述顆粒三維瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程可寫為：

(9)

(10)

3 煙道計(jì)算工況及邊界條件設(shè)置

計(jì)算中，入口使用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口使用壓力出口邊界條件，煙道壁面假設(shè)無(wú)熱交換，煙氣體積總流量234e+4m3/h，溫度約145 ℃，煙氣成份大致為N2為73%，O2為2.66%，CO2為14.9%，H2O為9.45%。粉塵顆粒流量約為87 t/h。數(shù)值計(jì)算仿真分別針對(duì)煙氣氣相流動(dòng)與氣體顆粒兩相流動(dòng)開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。

表1煙道CFD數(shù)值模擬所用煙氣成份

4 煙道數(shù)值計(jì)算仿真結(jié)果與流場(chǎng)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)煙道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，分別得到了不含粉塵的氣相煙道阻力與含粉塵的兩相流動(dòng)的煙道阻力，見(jiàn)表2，不考慮粉塵條件下煙道阻力約為564 Pa，考慮粉塵條件下煙道阻力數(shù)值約590 Pa，二者差異約26 Pa。后續(xù)給出詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果與分析。

表2煙道阻力數(shù)值

圖3與圖4分別給出了煙道側(cè)視總壓分布云圖與俯視總壓分布云圖。從圖中可以看到，在煙道拐角處、還有爬升處等部位總壓損失較大，是煙道阻力主要集中的部位。

圖3 煙道側(cè)視總壓分布云圖

圖4 煙道俯視總壓分布云圖

圖5給出了煙道中煙氣流線圖。從圖中可以看到，煙氣由空預(yù)器向下流動(dòng)，在灰斗上方進(jìn)行水平拐彎，而后經(jīng)過(guò)直角彎頭到達(dá)聯(lián)箱處，再進(jìn)行爬升流至除塵器入口，在聯(lián)箱附近可以看到煙氣流線混亂，出現(xiàn)很多流動(dòng)漩渦結(jié)構(gòu)，而后在除塵器之前的煙道內(nèi)，煙氣也旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，這些雜亂或漩渦結(jié)構(gòu)都增加了流動(dòng)阻力，是煙道阻力主要產(chǎn)生的地方。

圖5 煙道中煙氣流線圖

圖6 煙道內(nèi)部剖面流場(chǎng)速度分布圖

圖6給出了煙道內(nèi)部剖面流場(chǎng)速度分布圖。可以看到，顏色越紅表示速度越快，顏色越藍(lán)表示速度越慢，煙氣經(jīng)過(guò)繞流內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，給速度帶來(lái)了損失，且在煙氣各個(gè)拐彎的地方也都帶來(lái)了速度損失，這些都是引起煙道阻力增加的地方。

圖7給出了煙道內(nèi)部剖面流場(chǎng)壓力分布圖。從剖面壓力云圖中可以看出，在直角彎頭和聯(lián)箱附近及爬升段，是壓力損失較大的地方。

圖7 煙道內(nèi)部剖面流場(chǎng)壓力分布圖

圖8給出了煙道內(nèi)部剖面流場(chǎng)煙氣流線圖。從這張圖中則可以更加直觀的看到煙道內(nèi)部流動(dòng)漩渦結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)生流動(dòng)漩渦的附近煙道相應(yīng)的是阻力最大的部位。若以后進(jìn)行該煙道的優(yōu)化可以重點(diǎn)改進(jìn)這些部件。

圖8 煙道內(nèi)部剖面流場(chǎng)煙氣流線圖

圖9給出了煙道內(nèi)部不同直徑尺寸粉塵粒子運(yùn)動(dòng)軌跡?？梢钥吹?，粉塵粒子隨著氣流不斷運(yùn)動(dòng)，在拐角附近、聯(lián)箱中、爬升段也產(chǎn)生了漩渦運(yùn)動(dòng)，粉塵粒子的運(yùn)動(dòng)都是氣體攜帶誘導(dǎo)的，這會(huì)損失氣體的一些能量，由計(jì)算數(shù)據(jù)可知，煙氣中有粉塵的條件下，會(huì)相應(yīng)的增加氣體總壓損失，煙道阻力也會(huì)更大一些。

圖9 煙道內(nèi)部不同直徑尺寸粉塵粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

表3給出了煙道中從空預(yù)器出來(lái)的兩路煙氣流量的均衡性情況?？梢钥吹?，假設(shè)兩臺(tái)空預(yù)器內(nèi)部發(fā)生問(wèn)題或阻塞程度不同時(shí)，比如兩路煙氣，一路在原有流量基礎(chǔ)上增加5%，另一路在原有流量基礎(chǔ)上減少5%，那么由此帶來(lái)的煙道總阻力是增加的，而且在后續(xù)的除塵器入口附近，兩路煙氣的流量不均衡程度還會(huì)擴(kuò)大，流量偏差接近了±14%；而若兩路由空預(yù)器帶來(lái)的入口流量偏差±10%的話，那么后續(xù)除塵器入口的煙氣流量偏差則達(dá)到±18%，而且流動(dòng)還是不穩(wěn)定的，流量存在波動(dòng)。這估計(jì)是聯(lián)箱沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

表3兩路煙道流量均衡性研究

5 結(jié)束語(yǔ)

文中開(kāi)展的電站鍋爐尾部煙氣在煙道內(nèi)部的流動(dòng)情況的數(shù)值模擬仿真，不僅研究了煙氣與粉塵在煙道內(nèi)的流動(dòng)與相互作用的現(xiàn)象，而且為今后煙道優(yōu)化提供了指導(dǎo)思想，可以得到以下結(jié)論：

(1)經(jīng)過(guò)對(duì)煙道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，得到了煙道阻力，不考慮粉塵與考慮粉塵條件下煙道阻力二者差異約26 Pa。研究表明，煙氣經(jīng)過(guò)繞流內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，給氣流帶來(lái)了損失，在拐角附近、聯(lián)箱中、爬升段也產(chǎn)生了漩渦運(yùn)動(dòng)，是煙道阻力主要產(chǎn)生的地方，氣流中攜帶的粉塵粒子，也會(huì)損失氣體的一些能量。

(2)在煙道的兩路煙氣流量的均衡性研究中，可以看到，兩路煙氣在原有流量基礎(chǔ)上偏差±5%時(shí)，那么后續(xù)的除塵器入口兩路煙氣的流量偏差接近了±14%，而若兩路煙氣流量偏差±10%的話，那么后續(xù)除塵器入口的煙氣流量偏差則達(dá)到±18%，而且流動(dòng)還存在不穩(wěn)定性，導(dǎo)致流量始終有波動(dòng)。