勝利國(guó)電（東營(yíng)）熱電有限公司 丁厚東 張 振 李魯華

勝利國(guó)電#5機(jī)組為660MW 超臨界燃煤供熱機(jī)組，2015年12月16日完成168小時(shí)試運(yùn)。為響應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求，2017年8月至2017年12月機(jī)組進(jìn)行超低排放改造，將SCR 脫硝由“2+1”升級(jí)為“3+1”；脫硫塔噴淋層上移一米且在最下層增加均流盤(pán)；脫硫吸收塔后增加濕電除塵。改造完成后機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)，300MW 以下負(fù)荷5A 單引風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，300MW 以上升負(fù)荷啟動(dòng)5B 引風(fēng)機(jī)極易失速，且無(wú)法并列；在高負(fù)荷期間引風(fēng)機(jī)出力不足無(wú)法帶滿負(fù)荷問(wèn)題。上述問(wèn)題已嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運(yùn)行，亟需解決。

1 原因分析

選型參數(shù)和全壓（Pa）運(yùn)行參數(shù)比較：額定負(fù)荷比較。選型BMCR/10050、選型BRL 工況/7650、實(shí)際運(yùn)行612MW/9755；50%負(fù)荷比較。選型50%THA/2530、實(shí)際運(yùn)行300MW/5325。由以上對(duì)比可看出，612MW 時(shí)引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行全壓已經(jīng)接近BMCR 工況選型全壓，遠(yuǎn)高于THA 工況選型全壓。300MW 工況引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行全壓甚至是設(shè)計(jì)50%THA 工況全壓的2倍。

以上對(duì)比可看出，改造后風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)參數(shù)，尤其是實(shí)際運(yùn)行全壓（系統(tǒng)阻力）遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)全壓，而系統(tǒng)阻力出現(xiàn)較大變化。為解決以上問(wèn)題，根據(jù)當(dāng)前煙道布局，采用數(shù)值模擬的方法分析其煙道流場(chǎng)狀態(tài)，找出煙道阻力優(yōu)化空間，以期達(dá)到通過(guò)局部煙道優(yōu)化，降低引風(fēng)機(jī)出口阻力。

2 數(shù)值模擬選擇

2.1 數(shù)值模擬概念

數(shù)值模擬也叫計(jì)算機(jī)模擬。依靠電子計(jì)算機(jī)，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類問(wèn)題研究。根據(jù)流體阻力計(jì)算情況，選用CFD 數(shù)值模擬方法開(kāi)展。

2.2 CFD 方法簡(jiǎn)介

CFD 是英文Computational Fluid Dynamics（計(jì)算流體力學(xué)）的縮寫(xiě)，是一門(mén)用數(shù)值計(jì)算方法求解流動(dòng)主控方程以發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象規(guī)律的學(xué)科。計(jì)算流體力學(xué)和相關(guān)的計(jì)算傳熱學(xué)，計(jì)算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動(dòng)量和自定義的標(biāo)量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報(bào)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過(guò)程的細(xì)節(jié)，并成為過(guò)程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計(jì)的有力工具。計(jì)算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響。

用CFD 技術(shù)進(jìn)行數(shù)值求解的基本思想是：把原來(lái)在空間和時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則來(lái)監(jiān)理離散點(diǎn)上的變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程，求解代數(shù)方程以活動(dòng)所求變量的近似值。其只要用途是對(duì)流態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬計(jì)算，為了是數(shù)據(jù)結(jié)果更為直觀，將求解結(jié)果的速度場(chǎng)、流量場(chǎng)等用計(jì)算機(jī)模型表示出來(lái)。利用CFD 方法進(jìn)行仿真模擬可以直接顯示煙道中流體的壓力、速度，從而進(jìn)一步分析煙道中流體阻力情況，對(duì)煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇做出指導(dǎo)，為優(yōu)化改進(jìn)煙道內(nèi)部結(jié)構(gòu)做出判定。

3 建模分析

模擬對(duì)象為勝利國(guó)電#5機(jī)組A、B 側(cè)濕式除塵器凈煙道出口的匯合煙箱，分析其內(nèi)部煙氣流場(chǎng)分布。圖1為該項(xiàng)目煙道布置設(shè)計(jì)圖。

圖1 煙道主視圖（左）、俯視圖（右）

3.1 建立數(shù)模

數(shù)值模擬方案及幾何模型。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立全尺寸的三維模型，設(shè)定條件為：煙道采用全尺寸建模，入口位置為A/B 側(cè)脫硫塔出口水平煙道，出口位置為煙囪出口；分隔板、導(dǎo)流板采用無(wú)厚度壁面代替；煙氣勻速進(jìn)入建模段兩個(gè)入口水平煙道，溫度30℃，煙氣組分根據(jù)原設(shè)計(jì)確定；數(shù)值模擬中的網(wǎng)格數(shù)量為141萬(wàn)。

數(shù)學(xué)模型。整個(gè)煙道內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬是通過(guò)CFD 軟件實(shí)現(xiàn)。模擬過(guò)程中數(shù)學(xué)模型的選取及邊界條件的處理方式主要包括：選用Standard k-ε 模型對(duì)湍流進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬；邊界條件的設(shè)定：煙氣入口為速度入口，出口為壓力出口；該模型用有限體積法在離散的網(wǎng)格上進(jìn)行求解?？紤]到流速較快，求解過(guò)程中耦合進(jìn)湍流求解模塊；邊界條件設(shè)置。數(shù)值模擬邊界條件設(shè)置為：煙氣入口煙氣體積流量1393817m3/h，溫度30℃、出口壓力0Pa。

3.2 原始煙道流通形態(tài)分析

圖2 速度分布

圖3 總壓分布

通過(guò)模型與網(wǎng)格的建立和邊界條件的設(shè)置，首先計(jì)算原始煙道模型。原始狀態(tài)下煙道模型的計(jì)算結(jié)果：入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）546.2Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）685.2Pa。從模擬結(jié)果來(lái)看，風(fēng)機(jī)出口側(cè)兩股煙氣對(duì)沖，速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)極不均勻，導(dǎo)致局部阻力高。

3.3 不同分隔與導(dǎo)流加裝模擬分析

設(shè)置分隔板。利用分隔板將兩股煙氣分開(kāi)，可能是有效的降低煙道對(duì)沖、減少兩個(gè)入口的總壓壓降有效方式。在煙道內(nèi)增加分隔板將兩股煙氣分隔開(kāi)來(lái)，入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）257.3Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）733.1Pa。從模擬結(jié)果來(lái)看，增加分隔板后，兩股煙氣相沖的現(xiàn)象已經(jīng)消失，但入口2的局部速度和總壓降反而有所增加。

圖4 分隔板煙道模型速度分布

圖5 分隔板煙道模型總壓分布

分隔板加導(dǎo)流板設(shè)置分析：?jiǎn)螁卧趨R合集箱處設(shè)置分隔板，煙道1的速度分布與阻力情況明顯得到改善，但煙道2總壓壓降反而有所升高，反應(yīng)出局部阻力增加。為此在加裝分隔板的基礎(chǔ)上，對(duì)在如圖6的四個(gè)位置采用不同組合加裝導(dǎo)流板模式，通過(guò)數(shù)字計(jì)算模型模擬進(jìn)行核算，得到對(duì)應(yīng)的速度分布與總壓分布，并根據(jù)分布情況對(duì)加裝位置和方式進(jìn)行逐步優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)綜合比較選定較優(yōu)方案的模擬情況如下。

圖7 分隔板加導(dǎo)流板煙道模型

圖8 分隔板加導(dǎo)流板煙道模型速度分布

圖9 分隔板加導(dǎo)流板煙道模型全壓分布

計(jì)算模型：入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）237.7Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）281.1Pa。從模擬結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化分隔板和導(dǎo)流板之后，最大流動(dòng)速度下降，煙道1與煙道2的速度分布及總壓壓降匹配情況良好。

實(shí)施結(jié)論。根據(jù)數(shù)值模擬選擇分隔板+導(dǎo)流板方案并在2018年9月份小修進(jìn)行工程施工，有效的降低了煙囪入口處局部阻力，解決了引風(fēng)機(jī)無(wú)法并列等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)化選擇了有效的分隔板+導(dǎo)流板方案并進(jìn)行實(shí)施，有效降低了煙道阻力，解決了引風(fēng)能力不足、雙引風(fēng)機(jī)易失速、無(wú)法并列的問(wèn)題。通過(guò)此次工程實(shí)踐可發(fā)現(xiàn)，針對(duì)具體問(wèn)題采用數(shù)值建模的方式，可在不進(jìn)行大量投入的情況下，通過(guò)生動(dòng)的圖片、既定條件的數(shù)值核算，發(fā)現(xiàn)其間存在的問(wèn)題，并獲得可參考的解決方案，通過(guò)針對(duì)性的施工得以有效地解決實(shí)際問(wèn)題。數(shù)值建模方式明顯減少試錯(cuò)成本，其定量化的計(jì)算，為準(zhǔn)確施工提供保證，為同類機(jī)組在流體動(dòng)力特性改變或出現(xiàn)偏差條件下解決相似問(wèn)題提供有益的參考，，具有較好的示范意義。