潘曉偉，彭 爍，李 碩，周 賢，王長(zhǎng)軍，劉 峻，王瑞元

(1.華能北京熱電有限責(zé)任公司，北京 100023；2.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

1 引言

電站鍋爐各項(xiàng)熱損失中，排煙熱損失為最大的一項(xiàng)，約占鍋爐熱損失的60%以上。而排煙熱損失的主要影響因素為排煙溫度，降低電廠排煙溫度對(duì)于提高鍋爐熱效率、減少污染物排放具有重要意義。目前，通過(guò)在煙道中裝設(shè)低溫省煤器等途徑可以有效回收煙氣的中高溫余熱[1-2]，但是對(duì)于電廠低溫?zé)煔庥酂岬幕厥眨壳暗难芯枯^少。

某燃機(jī)電廠采用2臺(tái)F級(jí)燃機(jī)組成的“二拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，發(fā)電裝機(jī)容量923 MW，為了回收煙氣中的低溫余熱，擬在余熱鍋爐尾部建設(shè)低溫余熱回收利用系統(tǒng)，通過(guò)余熱回收塔中水與煙氣換熱，吸收煙氣低溫余熱，然后利用吸收式熱泵提取水中的低溫?zé)崃?，并通過(guò)蒸汽的驅(qū)動(dòng)將低溫余熱轉(zhuǎn)化為中溫?zé)崴?。余熱回收塔是煙氣余熱利用工程的兩大核心設(shè)備之一，清華大學(xué)的付林團(tuán)隊(duì)已經(jīng)針對(duì)直接接觸式煙氣余熱回收噴淋塔進(jìn)行了較多研究[3-4]。直接接觸式噴淋塔具有風(fēng)量大、節(jié)能、阻力小等優(yōu)勢(shì)，由于本項(xiàng)目煙氣量較大、塔徑較大，在長(zhǎng)期變負(fù)荷運(yùn)行中，為了實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的氣液均勻分布以及氣液換熱效果，本項(xiàng)目考慮采用填料式余熱回收塔的形式。

Mohiuddin等[5-7]對(duì)余熱回收塔建立了一維數(shù)值模型，對(duì)塔內(nèi)垂直方向的空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究，但是得到的結(jié)果精確度不高。Marehot等[8-10]對(duì)余熱回收塔建立了二維數(shù)值模型，對(duì)余熱回收塔的換熱性能進(jìn)行了模擬計(jì)算，但沒有考慮余熱回收塔橫截面不同方向的流場(chǎng)分布。毛獻(xiàn)忠等[11]對(duì)某逆流式余熱回收塔內(nèi)的空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了塔內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的速度分布曲線。黃東濤等[12]提出了一些假設(shè)，然后通過(guò)數(shù)值模擬方法，指出了冷卻水在余熱回收塔內(nèi)噴淋區(qū)、填料區(qū)、雨區(qū)等三個(gè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。趙元賓等[13-14]通過(guò)Fluent軟件建立了濕式冷卻塔數(shù)值計(jì)算模型，分析了余熱回收塔不同區(qū)域內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性。劉東興等[15]對(duì)余熱回收塔進(jìn)行了理論分析，并在其基礎(chǔ)上建立了逆流余熱回收塔的數(shù)值模型，對(duì)塔內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)和換熱性能進(jìn)行了模擬計(jì)算，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了其數(shù)值結(jié)果的可靠性。

目前國(guó)內(nèi)在流化床上增設(shè)布風(fēng)板的相關(guān)研究較多[16-29]，但是對(duì)于余熱回收塔內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的優(yōu)化研究主要是在進(jìn)口處增設(shè)導(dǎo)流板，對(duì)余熱回收塔內(nèi)增設(shè)布風(fēng)板的研究還比較少。陳友良利用理論分析、數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證的手段獲得冷卻塔控風(fēng)和導(dǎo)流規(guī)律[25]。本文將采用Fluent軟件建立余熱回收塔數(shù)值模型，從余熱回收塔內(nèi)布風(fēng)板開孔率以及增設(shè)進(jìn)口導(dǎo)流板等方面對(duì)余熱回收塔內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行分析研究與優(yōu)化，分析布風(fēng)板對(duì)塔內(nèi)流動(dòng)均勻性影響。

2 物理模型及數(shù)學(xué)模型

2.1 幾何模型

本文以某燃機(jī)電廠逆流煙氣余熱回收塔為研究對(duì)象，余熱回收塔內(nèi)部流動(dòng)空間高29.6 m，寬23 m×13 m，塔內(nèi)進(jìn)風(fēng)口高5 m，填料層厚度為4.3 m，填料在塔內(nèi)位置為余熱回收塔高度17.55 m處，布風(fēng)板在塔內(nèi)位置為余熱回收塔高度13 m處（有布風(fēng)板結(jié)構(gòu)），布液器主要考慮供水管、一級(jí)槽和二級(jí)槽。余熱回收塔平面結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸如圖1所示。

圖1 余熱回收塔結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of waste heat recovery tower

對(duì)于有布風(fēng)板的余熱回收塔結(jié)構(gòu)1，布風(fēng)板V型槽的寬度為320 mm，矩形進(jìn)氣槽的寬度為160 mm，進(jìn)氣槽高度為400 mm，矩形進(jìn)氣槽和V型槽的長(zhǎng)度均為800 mm。布風(fēng)板單元的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。兩個(gè)陣列的立柱按照兩種規(guī)律進(jìn)行了布置，第一種為7行9列，第二種為7行6列。布風(fēng)板的總數(shù)為588個(gè)，總開孔面積為588×160 mm×800 mm=75.264 m2，余熱回收塔截面的大小為13 m×23m=299 m2，開孔率為25.2%。而對(duì)于余熱回收塔布風(fēng)板結(jié)構(gòu)2，是在布風(fēng)板結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上，將布風(fēng)板的長(zhǎng)度由800 mm降低至480 mm，塔內(nèi)布風(fēng)板的數(shù)量以及排列方式不變，從而使開孔率降低至15%。布風(fēng)板結(jié)構(gòu)1、布風(fēng)板結(jié)構(gòu)2的分布示意圖如圖3所示。

圖2 布風(fēng)板單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cell of air distributor

圖3 布風(fēng)板結(jié)構(gòu)1、2不同開孔示意圖Fig.3 Schematic diagram of two opening rate air distributors

布液器進(jìn)液管總管通到填料塔中心，然后分成4根分管，分別通向一級(jí)槽中心。總管采用尺寸DN1000，分管采用尺寸DN500。設(shè)4個(gè)一級(jí)槽，一級(jí)槽寬0.8 m，一級(jí)槽高0.343 m，二級(jí)槽寬0.08 m，二級(jí)槽高0.257 m。

本項(xiàng)目除霧器采用金屬絲網(wǎng)除霧器，絲網(wǎng)除霧器是最廣泛使用的一種除霧器，可分離直徑大過(guò)3～5μm的顆粒，且壓降不大。絲網(wǎng)除霧器由圓形絲網(wǎng)盤壓合在上、下兩個(gè)支承格柵間構(gòu)成。絲網(wǎng)盤外徑通常較塔徑大3%到5%，以確保與塔壁密合，防止氣流短路。絲網(wǎng)主要是靠慣性碰撞除霧。氣體流動(dòng)方向常見的是垂直向上，在向上流動(dòng)時(shí)，被床層捕捉到的液滴慢慢落下，集聚在絲網(wǎng)底段，而后返回塔中，實(shí)現(xiàn)除霧效果。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算域模型

在余熱回收塔三維結(jié)構(gòu)以及布液裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了余熱回收塔流體仿真計(jì)算域模型創(chuàng)建。從模型復(fù)雜性和計(jì)算速度的角度考慮，本文對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算，未考慮布液層對(duì)煙氣在塔內(nèi)的擴(kuò)散和速度場(chǎng)分布的影響。為驗(yàn)證該簡(jiǎn)化處理對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，采用?？颂兀‥ckert）通用關(guān)聯(lián)圖對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校核，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果的誤差在工程可接受的范圍。在流體仿真計(jì)算域的模型建立過(guò)程中，僅考慮了流體區(qū)域，并對(duì)填料層區(qū)域和除霧器區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)切分，以便于在仿真計(jì)算中進(jìn)行多孔介質(zhì)設(shè)置，圖4為建立的流體仿真計(jì)算域模型。

圖4 流體仿真計(jì)算域示意圖Fig.4 Schematic diagram of CFD region

2.3 網(wǎng)格劃分

在上述研究的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)格劃分軟件Workbench Meshing 18.0對(duì)余熱回收塔計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的整體網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證方面，對(duì)不同網(wǎng)格單元數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，比較網(wǎng)格數(shù)量對(duì)填料層前截面的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)影響程度。具體結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看到，1400萬(wàn)和1900萬(wàn)網(wǎng)格結(jié)果相當(dāng)，因此為降低計(jì)算成本，本文采用1400萬(wàn)網(wǎng)格方法的尺寸參數(shù)進(jìn)行各方案的網(wǎng)格劃分。計(jì)算網(wǎng)格如圖6所示。

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究Fig.5 The study of grid independence

圖6 流體仿真計(jì)算域網(wǎng)格劃分示意圖Fig.6 Schematic diagram of CFD mesh

2.4 邊界條件與計(jì)算方法

由于余熱回收塔內(nèi)流速較低，因此將煙氣視為不可壓縮流體，電廠煙氣成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 煙氣組成Tab.1 Flue gas composition

煙氣入口的邊界設(shè)定為入口質(zhì)量流量，煙氣的質(zhì)量流量為643 kg/s，煙氣溫度為63℃；煙氣出口設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；填料層和布風(fēng)層的換熱溫降按照冷源處理，其中，布風(fēng)層冷源設(shè)定為 -600 W/m3，填料層冷源設(shè)定為 -17760 W/m3；余熱回收塔內(nèi)各固體壁面設(shè)定為無(wú)滑移邊界條件；除霧層和填料層的流阻按照多孔介質(zhì)的冪律模型處理，即將動(dòng)量損失源項(xiàng)定義成速度大小的冪律，公式如下：

本文采用標(biāo)準(zhǔn)湍流k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，采用SIMPLE算法進(jìn)行迭代求解，其中壓力項(xiàng)采用“Body Forced Weighed”方式進(jìn)行離散，其余各項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分方式進(jìn)行離散。計(jì)算軟件采用Fluent18.0。

3 研究方案與評(píng)價(jià)方法

本文共對(duì)不同布風(fēng)板開孔率和是否設(shè)置進(jìn)口導(dǎo)流板的三種方案進(jìn)行了模擬研究，如表2所示，其中布風(fēng)板高度位于余熱回收塔13 m處。

表2 三種方案對(duì)比Tab.2 Comparison of three schemes

本文主要研究余熱回收塔內(nèi)的流場(chǎng)均勻性，因此采用速度標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)CV值來(lái)表征余熱回收塔內(nèi)速度整體分布特性，CV值的定義如下：

式中：σ為速度標(biāo)準(zhǔn)偏差，為該截面上所有測(cè)點(diǎn)的速度平均值，Xi為每一測(cè)點(diǎn)速度。

本文共選取三個(gè)面對(duì)流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析，第一個(gè)是布風(fēng)板前截面，第二個(gè)是填料層前截面，第三個(gè)為中剖面，各截面位置的示意圖如圖7所示。圖8示意了方案三的導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)結(jié)果。導(dǎo)流板位于進(jìn)口下游的折彎位置，采用一系列尺寸相同的平板等距布置而成，平板之間的間距為670 mm，平板高度為400 mm，平板數(shù)量為14。

圖7 仿真分析截面位置示意Fig.7 The section position of CFD

圖8 導(dǎo)流板示意圖Fig.8 Schematic diagram of guide plate

4 計(jì)算結(jié)果與分析

針對(duì)余熱回收塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性與流阻，本文對(duì)布風(fēng)板不同開孔率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上與增加入口導(dǎo)流板方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 計(jì)算結(jié)果與分析

圖9是布風(fēng)板前速度分布云圖，從圖中可以看出，減小開孔率對(duì)布風(fēng)板前速度分布影響很小，但增加導(dǎo)流板，對(duì)布風(fēng)板前速度分布影響明顯，可以有效減小高速區(qū)域面積，增加流場(chǎng)均勻性。

圖9 布風(fēng)板前截面的速度分布云圖Fig.9 The velocity contour of the section of air distributor

4.2 填料層前截面速度分布

圖10是不同方案填料層前的速度分布云圖，從圖中對(duì)比方案一與方案二速度分布可以看出，通過(guò)減小開孔面積，有利于消除流場(chǎng)中間的高速帶狀，增加流場(chǎng)均勻性。而對(duì)于方案二和方案三，差異較小，說(shuō)明在開孔率降到一定程度下，再增加導(dǎo)流板對(duì)提高流場(chǎng)均勻性效果有限。

圖10 填料層前截面的速度分布云圖Fig.10 The velocity contour of the section of filler layer

4.3 中剖面速度分布

圖11是不同方案中剖面的速度分布云圖，從圖中可以看出，減小開孔率，對(duì)于布風(fēng)板前流場(chǎng)影響很小，但對(duì)于布風(fēng)板出口的速度分布較為明顯，減小開孔率后布風(fēng)板出口速度均勻性提高，從而提高了流場(chǎng)均勻性。減小布風(fēng)板開孔率繼續(xù)增加導(dǎo)流板后，氣流將往圖中左邊偏轉(zhuǎn)一些，對(duì)于提高布風(fēng)板進(jìn)氣均勻性有一定作用。

圖11 中剖面速度分布Fig.11 The velocity distribution of mid-section

4.4 不同方案性能比較

通過(guò)比較截面上CV值大小，可以得出流場(chǎng)均勻性好壞，由前述公式可以看出某截面上速度CV值越小，流場(chǎng)均勻性越好；表3示意了不同方案各項(xiàng)性能參數(shù)的比較，可以看出：布風(fēng)板開孔率從25%降到15%時(shí)，可以將填料層前截面CV值從0.243降低到0.2，但增加余熱回收塔整體流阻，也使得整體流阻增加100 Pa。在開孔率降到15%后，繼續(xù)增加導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，所獲得均勻性收益有限，且使總體流阻損失略有增加。

表3 不同方案性能比較Tab.3 Performance comparison of different

5 結(jié)論

本文針對(duì)布風(fēng)板開孔率和進(jìn)口導(dǎo)流板對(duì)余熱回收塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性及流動(dòng)損失進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）布風(fēng)板開孔率從25%降到15%后余熱回收塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性得到改善，在布風(fēng)板V型板出口，形成多股較小氣流，起到整流均布作用。

（2）在布風(fēng)板開孔率降到15%基礎(chǔ)上繼續(xù)增加入口導(dǎo)流板，余熱回收塔內(nèi)流場(chǎng)均勻性稍有改善。

（3）減小布風(fēng)板會(huì)開孔率增加余熱回收塔的流動(dòng)損失，在布風(fēng)板開孔率降到15%基礎(chǔ)上繼續(xù)增加入口導(dǎo)流板，余熱回收塔的流動(dòng)損失會(huì)略有增加。