沈小虎

（內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010206）

某電廠前期投產(chǎn)的燃煤發(fā)電機組的鍋爐煙道系統(tǒng)煙氣流動阻力大，而近年來鍋爐機組的超低排放改造，使煙道系統(tǒng)的布置發(fā)生了較大的變化，并且增加了部分煙道彎頭，這不僅增加了鍋爐機組煙道系統(tǒng)的阻力，增加了引風(fēng)機電耗，還因煙氣流場不均嚴(yán)重影響除塵器的除塵效率與經(jīng)濟運行，甚至導(dǎo)致運行中出現(xiàn)嚴(yán)重的局部磨損等問題[1]。本文針對燃煤鍋爐機組進(jìn)行脫硫、超低排改造后，出現(xiàn)煙道流動阻力過大、直角彎道導(dǎo)流板破損的情況，對空預(yù)器入口的煙道的阻力特性進(jìn)行研究。

本研究首先通過理論分析煙道產(chǎn)生流動阻力的機理，然后分析了在燃煤機組煙道中產(chǎn)生流動阻力的主要原因。最后對空預(yù)器入口煙道進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，建立分析模型，為煙道的可靠性分析提供了研究手段。

1 煙道流動阻力的基本理論

1.1 流動阻力產(chǎn)生的機理

1.1.1 內(nèi)因

由于黏性流體分子間的吸引力，速度快的流體層會拖著速度慢的流體層運動。速度快的流體層中部分流體分子由于無規(guī)則熱運動進(jìn)入速度慢的流體層，以碰撞形式將動量傳遞給后者，使其產(chǎn)生一個加速度。同時，運動慢的流體層也有一定數(shù)量的流體分子進(jìn)入運動快的流體層，而對后者產(chǎn)生一個方向相反的加速度[2]。這種傳遞一層一層進(jìn)行，從壁面直至流體中心，可見流體的黏性是產(chǎn)生流體流動阻力的內(nèi)因。

1.1.2 外因

流體只有在流過固體壁面（管壁、設(shè)備壁）或局部結(jié)構(gòu)管件時，才能促使流體內(nèi)部產(chǎn)生相對運動，造成不同流體層間動量的傳遞，損耗機械能[3]。因此，壁面及管道局部結(jié)構(gòu)形狀等約束條件是流體產(chǎn)生流動阻力的外因。

1.2 影響煙道流動阻力的因素

影響煙道流動阻力的因素可以分為以下2類。

1.2.1 煙氣性質(zhì)

煙氣性質(zhì)包括煙氣密度、煙氣黏度、煙氣流速等。其中煙氣密度的大小反映了單位體積內(nèi)煙氣質(zhì)量，當(dāng)不同流體層的煙氣發(fā)生動量傳遞時，煙氣密度越大，各流體層的煙氣質(zhì)量越大，動量傳遞越劇烈，造成更大的流動阻力。煙氣黏度越大，煙氣與煙道壁面、不同煙氣流層間的摩擦阻力越大，流動阻力越大。煙氣流速對煙氣的流動阻力損失有很大的影響，由達(dá)西-維斯巴赫公式可知，煙氣的流動阻力損失與煙氣流速的平方成正比，可見煙氣流速過大不利于降低煙氣流動阻力損失。

1.2.2 煙道結(jié)構(gòu)尺寸

煙道結(jié)構(gòu)尺寸包括煙道長度、煙道截面形狀、壁面粗糙度、局部件結(jié)構(gòu)尺寸等。一般情況下，煙氣的沿程阻力損失與煙道長度成線性關(guān)系，煙道越長，煙氣在煙道內(nèi)損失的流動阻力越大。壁面粗糙度對煙氣的流動會產(chǎn)生比較大的影響，對于水力光滑管，靠近壁面的煙氣受到管壁的阻礙小，流動阻力相應(yīng)要小，如果是粗糙的管壁，更多流層的煙氣會受到管壁的阻礙，造成更大的流動阻力損失。燃煤機組鍋爐煙道系統(tǒng)采用了眾多的局部結(jié)構(gòu)件，包括大小頭、彎頭與T形管件，這些局部結(jié)構(gòu)件導(dǎo)致了煙道大部分的流動阻力損失。對于典型的直角彎頭，與有著相同截面、相同流通長度的直管道相比，其產(chǎn)生的流動阻力損失可達(dá)到該直通道產(chǎn)生的流動阻力損失的20～30倍。

2 煙道流場數(shù)值計算基本理論

2.1 煙道流動阻力的計算方法

燃煤電廠煙道中的煙氣流動通常被認(rèn)為是定常的、不可壓的、湍流氣固兩相流。其流動過程要遵循相應(yīng)的物理守恒定律，基本的守恒定律主要有質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。對于燃煤鍋爐煙道中的湍流流動，還需要遵循附加的湍流輸運方程。

2.2 煙道流場的計算模型

流體力學(xué)分析軟件中提供了豐富的模型以解決多領(lǐng)域的多種問題。對于燃煤電廠空預(yù)器入口煙道的數(shù)值模擬，所涉及到的模型主要有湍流模型、流固耦合模型。

湍流是大自然中廣泛存在的流動現(xiàn)象，大多數(shù)工程問題中所涉及的流體流動均處于湍流狀態(tài)，因此湍流研究一直被研究者高度重視。湍流流動的核心特征是其在物理上無窮多的尺度和數(shù)學(xué)上強烈的非線性，這就使得無論是理論分析、實驗研究還是計算機模擬，都很難徹底認(rèn)識湍流。一般認(rèn)為，無論湍流流動多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)性方程和N-S方程對于湍流的瞬時運動依然適用。

流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門力學(xué)分支，它是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者相互作用的一門科學(xué)。流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會產(chǎn)生變形或運動。變形或運動又反過來影響流體運動，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生形形色色的流固耦合現(xiàn)象[4-5]。

3 某電廠空預(yù)器入口煙道數(shù)值模擬分析

通過對某電廠空預(yù)器入口目標(biāo)管段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)現(xiàn)場實際運行參數(shù)設(shè)置煙氣溫度、煙氣流速等相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)，得出目標(biāo)管段的速度分布圖、壓力分布圖以及目標(biāo)管道結(jié)構(gòu)變化情況，與實際運行現(xiàn)狀進(jìn)行驗證。

首先根據(jù)某電廠現(xiàn)場實際的空預(yù)器入口煙道安裝情況，運用solidworks三維建模軟件，對目標(biāo)管段進(jìn)行建模，三維模型如圖1所示。

圖1 直角彎道管段三維模型

將模型導(dǎo)入ANSYS流體力學(xué)仿真模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分及算例設(shè)置，其中菱形風(fēng)管位置入口設(shè)置為Inlet速度入口，速度設(shè)置為8.5 m/s，進(jìn)口溫度設(shè)置為150℃，直角彎道風(fēng)管出口設(shè)置為Outlet。計算完成后，進(jìn)入后處理階段，后處理即觀察模擬算例對象的流速和壓力分布，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 直角彎道管段速度分布圖

圖3 直角彎道管道壓力分布圖

在運用ANSYS進(jìn)行流體數(shù)值模擬計算后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算設(shè)置，以進(jìn)行直角彎道管段內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)分析。首先，將前部的計算結(jié)果導(dǎo)入，然后將計算結(jié)果傳入ANSYS靜力學(xué)計算模塊，對目標(biāo)管段做網(wǎng)格劃分及算例設(shè)置以進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變分析。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格，算例設(shè)置速度及溫度參數(shù)同流體域參數(shù)，主要定義風(fēng)管材料及導(dǎo)流板材料根據(jù)圖紙所示材料設(shè)置彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)，設(shè)置完成后進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

ANSYS靜力學(xué)模塊對算例計算完成后，即可查看導(dǎo)流板的應(yīng)力及分布狀態(tài)，輸出的結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 直角彎道管段內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)變分布圖

圖5 直角彎道管段內(nèi)部中間導(dǎo)流板應(yīng)力分布圖

由應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果可以看出，風(fēng)管的直角彎道處，中間導(dǎo)流板的受力最大，最大應(yīng)力達(dá)到17.738 MPa。這與現(xiàn)場直角彎道處的導(dǎo)流板破損位置基本是一致的，現(xiàn)場直角彎道處導(dǎo)流板破損圖片如圖6所示。

圖6 某電廠現(xiàn)場直角彎道管道內(nèi)部磨損圖

4 結(jié)論

本文對某電廠空預(yù)器入口目標(biāo)煙道進(jìn)行研究，首先分析研究了燃煤鍋爐機組煙道產(chǎn)生流動阻力的內(nèi)在機理，找出產(chǎn)生煙道流動阻力損失的主要因素與變化規(guī)律，然后運用流體力學(xué)分析軟件，通過建模以及算例設(shè)置對目標(biāo)直角煙道管段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，尤其針對目標(biāo)管段內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了分析，將仿真分析結(jié)果與實際情況進(jìn)行對比分析，驗證了結(jié)果的合理性，同時建立空預(yù)器煙道入口直角彎道數(shù)值模擬分析模型，為某電廠現(xiàn)場空預(yù)器入口直角彎道處的可靠性分析提供了研究方向。