馬鵬飛 張選 賈瑞龍 王立新 尚慶 閆金山 閆溟 田俊武

(1.神華準格爾能源有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010399；2.中國航天空氣動力技術(shù)研究院 北京100074)

0 引言

電廠煙道是電廠發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，由于在設(shè)計與制造安裝過程中主要采取橫平豎直的設(shè)計思路及便于制造和安裝的方法，因此不可避免地會產(chǎn)生大量的彎頭與分支結(jié)構(gòu)。同時由于電廠煙道為大型加工構(gòu)件，為了避免在制造與安裝過程中產(chǎn)生煙道變形，因此會在內(nèi)部增加一定的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致煙氣在煙道內(nèi)部流動過程中產(chǎn)生大量的漩渦運動，而煙氣在煙道彎頭與分支結(jié)構(gòu)部位也會產(chǎn)生漩渦運動，從而導(dǎo)致煙氣在煙道內(nèi)的流動復(fù)雜，產(chǎn)生大量的煙道沖刷和積灰現(xiàn)象，引起煙道系統(tǒng)異常振動和噪聲及引風(fēng)機運行過程中的喘振現(xiàn)象，也會引起煙道后部布袋除塵器進氣流量不均，降低布袋除塵器的除塵效率，減少布袋除塵器內(nèi)布袋的使用壽命[1]。研究煙道內(nèi)煙氣的流動問題，可以有效地找到由煙道彎段、分支結(jié)構(gòu)部件及內(nèi)部支撐件引起的問題，并為解決這些問題提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持[2-3]。通過后續(xù)改造，一方面可以減少煙道內(nèi)煙氣流動的沿程阻力損失，減小系統(tǒng)壓損，減輕振動及磨損，降低煙道系統(tǒng)能耗；另一方面還可以提高引風(fēng)機可靠運行的控制裕度，促進火電廠可靠運行，為電廠節(jié)能降耗改造及新建電廠煙道設(shè)計提供良好的應(yīng)用借鑒[4-5]。

1 煤矸石發(fā)電廠二期2×330 MW機組及機組鍋爐尾部煙道說明

神華準格爾能源有限責(zé)任公司煤矸石發(fā)電廠二期工程裝機容量為2×330 MW的循環(huán)流化床機組，采用東鍋1 177 t/h 亞臨界循環(huán)流化床鍋爐，3號機組于2011年11月18日并網(wǎng)發(fā)電，4號機組于2011年9月30日并網(wǎng)發(fā)電。該機組鍋爐尾部煙道布置存在許多煙道彎段、分支結(jié)構(gòu)部件及內(nèi)部支撐件，導(dǎo)致尾部煙道系統(tǒng)阻力較大，布袋除塵器入口煙氣存在不均衡現(xiàn)象，生產(chǎn)能耗指標較高。由于煤質(zhì)差、負荷率低、設(shè)備檢修費用投入少等原因，目前該電廠供電標準煤耗在368 g/(kW·h)左右，廠用電率10.6%左右，與國家指導(dǎo)的節(jié)能指標存在較大差距，節(jié)能工作任重道遠。

神華準格爾能源有限責(zé)任公司煤矸石發(fā)電廠二期2×330 MW機組鍋爐的尾部煙道(以下簡稱電廠煙道)前面連接布袋除塵器，后面連接了空氣預(yù)熱器，煙氣從空氣預(yù)熱器底部分成兩路流出，先向左右兩側(cè)方向流動，然后再向前方流動，經(jīng)過一個90°的急轉(zhuǎn)彎頭后向上方流動，然后再經(jīng)過一個90°的急轉(zhuǎn)彎頭后轉(zhuǎn)向前方流動進入到布袋除塵器。煙氣流經(jīng)兩路結(jié)構(gòu)對稱設(shè)計的煙道，進入兩路布袋除塵器，在兩路煙道之間設(shè)置有煙道聯(lián)箱。圖1為現(xiàn)場煙道實物布置。

圖1 準能矸石電廠2×330 MW機組鍋爐尾部煙道實物布置

2 電廠煙道數(shù)值模擬計算說明

本次數(shù)值模擬計算采用Ansys公司的Fluent 14.0進行，F(xiàn)luent 14.0 軟件不僅能提供定性結(jié)果，還可就流體的相互作用和平衡做出準確的定量預(yù)測。通過使用Fluent軟件對煙道流場進行數(shù)值模擬，研究煙道內(nèi)煙氣流動過程中的壓力場分布[6]。根據(jù)電廠煙道的二維圖紙及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用Catia幾何建模軟件，完成煙道幾何外形的三維建模，保證與真實外形的完全一致，為后期的流場模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)輸入[7]。基于前期生成的煙道三維幾何外形，采用專業(yè)CFD軟件計算前處理網(wǎng)格，軟件Gridgen生成計算網(wǎng)格，計算網(wǎng)格選用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和多面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格形式，完成電廠煙道區(qū)域的建模與網(wǎng)格劃分，并在局部重點區(qū)域進行加密網(wǎng)格，可以在保證對復(fù)雜外形的高度保形的前提下，實現(xiàn)計算過程的快速收斂和流場的精確預(yù)測[8]。

根據(jù)流體理論，煙道內(nèi)的氣流是三維湍流，本文采用應(yīng)用較多的標準k-ε方程模型進行數(shù)值模擬，完成本次的煙道數(shù)值模擬計算仿真和均衡研究[9]。本次研究所運用的主要偏微分方程組為

與上式對應(yīng)的標準k-ε模型的控制方程如表1所示。

表1 標準k-ε模型的控制方程

3 電廠煙道尺寸及煙氣參數(shù)設(shè)定

煙道尺寸：煙道為軸對稱排列設(shè)計，煙道入口2個，其中單個煙道入口尺寸為 5 500 mm×3 200 mm，煙道前部連接空氣預(yù)熱器，煙道中間聯(lián)箱1個，尺寸為5 500 mm×10 965 mm，煙道出口2個，其中單個煙道出口尺寸為 5 600 mm×3 998 mm，尾部煙道出口后連接布袋除塵器(見圖2)。

圖3為電廠煙道的CFD數(shù)值計算仿真網(wǎng)格建模，網(wǎng)格總量大約在670萬。其中圖3(a)為煙道網(wǎng)格建模的整體網(wǎng)格，圖3(b)為煙道網(wǎng)格建模的局部網(wǎng)格。

計算中，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)為絕熱壁，與外界環(huán)境無熱交換。

煙道內(nèi)流動煙氣參數(shù)：模擬所用的煙氣量Q=234×104m3/h(工況)，計算入口流速u=18.46 m/s，流體為不可壓縮流體，煙氣溫度T=145 ℃，密度ρ=0.8 kg/m3，動力粘度μ=2.3×105kg/(m·s)，煙氣各成分(體積分數(shù))：CO2(14.9%)、O2(2.66%)、H2O (9.45%)、N2(72.99%)。

圖2 煙道布置(單位：mm)

(a)電廠煙道建模整體網(wǎng)格

(b)電廠煙道建模局部網(wǎng)格

4 電廠煙道數(shù)值計算結(jié)果與結(jié)果分析

經(jīng)過對電廠煙道數(shù)值計算，得到電廠煙道內(nèi)部流場壓力分布，還對煙道阻力與兩路煙氣流量的分配均衡情況進行了分析。

4.1 數(shù)值模擬壓力內(nèi)部流場圖

圖4為電廠煙道總壓平面圖。從圖4可以看出，在煙道彎段、分支結(jié)構(gòu)部件及內(nèi)部支撐件等部位總壓損失較大，是煙道阻力主要集中的部位。圖5為電廠煙道壓力內(nèi)部三維分布圖。

從圖4和圖5可以看出，從灰斗上方進行豎直拐彎總壓損失約10 Pa，然后水平拐彎到直角彎頭之前總壓又損失約200 Pa，而后經(jīng)過直角彎頭總壓損失約100 Pa，后續(xù)爬升流至除塵器入口總壓損失約300 Pa。 從以上數(shù)據(jù)中看出，后續(xù)爬升流至除塵器入口造成的壓力損失最大，主要原因為這邊存在2個90°的直角彎頭。

圖4 電廠煙道總壓平面

圖5 電廠煙道壓力內(nèi)部三維分布

4.2 電廠煙道內(nèi)部氣體流線及阻力損失分析

經(jīng)過對電廠煙道內(nèi)部數(shù)值模擬計算，圖6給出了煙道內(nèi)部氣體流線。由圖6氣體流線，并結(jié)合圖4與圖5，可以得出：在直角彎頭之前，由于水平拐彎導(dǎo)致煙道內(nèi)側(cè)流動出現(xiàn)了漩渦回流，因此這一段出現(xiàn)了較大的總壓損失；而后在聯(lián)箱附近，由于煙氣經(jīng)過了直角彎頭又在聯(lián)箱內(nèi)相互碰撞并爬升，該區(qū)域內(nèi)的流動相當復(fù)雜，流線混亂，出現(xiàn)很多流動漩渦結(jié)構(gòu)，所以該段是總壓損失最大的區(qū)域。在后續(xù)改造中，考慮如何把煙道的直角彎頭給優(yōu)化掉，盡量保持煙道的直線連接，考慮采用傾斜爬坡的煙道設(shè)計，是降低本段煙道阻力的重要設(shè)計方向。

圖6 電廠煙道內(nèi)部氣體流線

電廠煙道主要阻力的產(chǎn)生及分析見表2。

4.3 兩路煙氣進口流量出現(xiàn)偏差后出口流量分析

為了考察電廠煙道內(nèi)聯(lián)箱對煙氣流動的影響，針對空氣預(yù)熱器出來的不同流量的兩路煙氣進行了數(shù)值模擬研究。由于某些原因，造成兩路煙氣流量出現(xiàn)偏差，左側(cè)煙氣流量增加5%或10%，則右側(cè)煙氣流量相應(yīng)地減少5%或10%，這種情況下出口流量的影響情況在圖7中給出了具體數(shù)值。

由圖7可以看到，在煙氣進口流量給定偏差且穩(wěn)定流入的條件下，煙氣出口流量卻出現(xiàn)了更大的偏差，且流量不穩(wěn)定。

表2 電廠煙道主要阻力的產(chǎn)生及分析

圖7 煙道進出口流量統(tǒng)計情況

5 結(jié)語

本文利用數(shù)值模擬方法對上述煙道建立了計算模型，從煙道形狀參數(shù)、流體參數(shù)的角度出發(fā)，研究了該煙道內(nèi)壓力場的分布及煙氣進出口流量的均衡性。以上研究為減小尾部煙道阻力、改善流場品質(zhì)、增加尾部煙道流場均勻性、減少積灰、減少異常振動和噪聲等問題奠定理論基礎(chǔ)和提供后續(xù)改造的技術(shù)支持。通過后續(xù)改造，一方面可以減少煙道內(nèi)煙氣流動的沿程阻力損失，減小系統(tǒng)壓損，減輕振動及磨損，降低煙道系統(tǒng)能耗；另一方面還可以提高引風(fēng)機可靠運行的控制裕度，為電廠節(jié)能降耗改造及新建電廠煙道設(shè)計提供良好的應(yīng)用借鑒。