鍋爐低溫省煤器流場模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

肖記軍 溫小萍

摘? 要：針對300MW電站鍋爐低溫省煤器煙氣入口及本體進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，獲得了低溫省煤器內(nèi)部三維壓力場和速度場分布，分析了煙道變徑入口處分流擋板的分流效果，并對其煙氣入口分流擋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)而獲得流量更加均勻的煙氣入口流場。研究結(jié)果表明，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的低溫省煤器煙道變徑入口分流均布效果可以獲得顯著提升。

關(guān)鍵詞：低溫省煤器;流場;數(shù)值模擬

中圖分類號：TM621? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0083-02

近年來，由于我國煤炭資源的逐漸枯竭，許多電廠為了合理利用鍋爐的煙氣余熱，進(jìn)而提高機(jī)組效率，降低發(fā)電煤耗率，陸續(xù)針對鍋爐尾部受熱面進(jìn)行優(yōu)化改造。實(shí)踐結(jié)果表明[1-3]，對鍋爐加裝低溫省煤器系統(tǒng)，可以有效降低發(fā)電煤耗率，提高火電廠鍋爐熱效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，實(shí)際煙氣進(jìn)入低溫省煤器時往往存在流場分布不均勻，容易造成低溫省煤器換熱效率降低或局部磨損等問題[4-5]，難以達(dá)到理想的應(yīng)用效果。

本文針對某300MW電站鍋爐低溫省煤器進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，以獲得低溫省煤器入口煙道、分流擋板及內(nèi)部的三維壓力場和速度場分布，通過改變低溫省煤器變徑入口處分流擋板的位置和結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到低溫省煤器內(nèi)部流場分布更加均勻的目的。

1 計(jì)算模型

本文模擬過程主要為：利用Pro/E軟件構(gòu)建300MW鍋爐低溫省煤器三維立體模型，導(dǎo)入Gambit前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入FLUENT軟件，設(shè)置邊界條件、基本參數(shù)及計(jì)算方法，并進(jìn)行迭代數(shù)值計(jì)算，最后將計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tecplot軟件進(jìn)行后處理。

首先利用Pro/E-5.0軟件構(gòu)建低溫省煤器1：1的三維立體模型，該模型包括變徑入口、分流擋板、換熱器外殼、防磨光管、換熱管道及翅片。為了獲得準(zhǔn)確的煙道變徑入口的實(shí)際流場分布，在變徑入口前端加設(shè)10m長度的煙道，整體三維模型如圖1所示。將三維模型轉(zhuǎn)化成.stp格式，導(dǎo)入Gambit-2.4前處理軟件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了捕捉精細(xì)的湍流特征，在省煤器變徑入口、換熱管道及翅片附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)量約340萬左右。

2 邊界條件與求解方法

將三維模型導(dǎo)入FLUENT6.3軟件，設(shè)置流動邊界條件。根據(jù)300MW負(fù)荷工況條件下的煙氣流量和煙道截面積，設(shè)置煙道進(jìn)口流速為13.05m/s，低溫省煤器出口的壓力設(shè)置為-9000Pa，其余面均設(shè)為無滑移壁面。湍流模型采用k-ε雙方程。

數(shù)值求解是利用FLUENT的CFD求解器實(shí)現(xiàn)的，整個計(jì)算區(qū)域采用有限容積法離散控制方程，空間離散采用一階迎風(fēng)格式，利用SIMPLE算法對速度和壓力耦合方程組進(jìn)行解耦。控制方程中的質(zhì)量方程、動量方程、湍流k-ε雙方程的殘差均為1×10-3。

3 模擬結(jié)果與優(yōu)化

圖2表示低溫省煤器煙道變徑入口處的壓力和速度分布。

由圖2看出，在低溫省煤器變徑入口處的壓力分布都不均勻，呈現(xiàn)如下特征：（1）壓力高的區(qū)域速度低;（2）中間速度比兩側(cè)高，原因是管道中心流速更高;（3）下側(cè)速度比上側(cè)高，其原因一方面與煙氣流動慣性有關(guān)，另一方面下側(cè)煙氣通道為直通道，其煙氣流動阻力更小。

分析上述流場特征可知，低溫省煤器煙氣入口處的流場分布明顯不均勻。為驗(yàn)證流場不均勻性，得到由分流擋板分割的6個進(jìn)口的煙氣流量，本文利用FLUENT的流量積分功能計(jì)算出各區(qū)的煙氣質(zhì)量流量。經(jīng)過比較可以得出，6個進(jìn)口煙氣流量的均方差為3.333207，其中進(jìn)口2區(qū)和5區(qū)的煙氣流量高于平均流量，應(yīng)減小通流面積;進(jìn)口1區(qū)、3區(qū)、4區(qū)及6區(qū)的煙氣流量低于平均流量，應(yīng)增大通流面積。

為了優(yōu)化流場均勻性，假設(shè)各區(qū)平均流速不變，煙氣流量與流通面積成正比，因此可以根據(jù)模擬得到的6個進(jìn)口區(qū)（進(jìn)口1區(qū)～6區(qū)）煙氣質(zhì)量流量，調(diào)整6個進(jìn)口區(qū)的面積，從而達(dá)到進(jìn)口煙氣流場均布的優(yōu)化目的。原6個進(jìn)口區(qū)是按照面積相等劃分的，橫向分流擋板位于中心，兩塊縱向分流擋板距離中心均為478mm。變徑入口優(yōu)化方案如圖3所示，即在進(jìn)口截面上，橫向分流擋板向下移動90mm，兩塊縱向擋板向中心移動60mm（距離中心478mm變?yōu)?18mm）。

在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行流場數(shù)值模擬，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后變徑入口處的壓力和速度分布如圖4所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后的壓力、速度分布規(guī)律基本不變，即壓力高的區(qū)域速度低、中間速度比兩側(cè)高，下側(cè)速度比上側(cè)高，但最大速度16m/s升至17m/s，存在小幅度的上升。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后再計(jì)算各個進(jìn)口區(qū)（進(jìn)口1區(qū)～6區(qū)）煙氣質(zhì)量流量?？梢缘玫剑?個進(jìn)口煙氣流量的均方差由原來的3.333207降為0.578317，最大值與最小值之差由原來的8.001902降為1.432708。由此可見，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的變徑入口分流均布效果獲得顯著提升。

4 結(jié)論

（1）建立了300MW電站鍋爐低溫省煤器煙氣入口及本體三維立體模型，通過數(shù)值模擬獲得了低溫省煤器內(nèi)部三維壓力場和速度場分布，分析了煙道變徑入口處分流擋板的分流效果。

（2）通過對低溫省煤器煙氣入口分流擋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得了流量更加均勻的煙氣入口流場，該方法對解決低溫省煤器換熱效率較低和局部磨損等問題具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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