準(zhǔn)能矸石電廠4# 機組煙道優(yōu)化設(shè)計數(shù)值仿真

賈瑞龍，王立新，張 選，馬鵬飛，閆金山，尚 慶

（1.神華準(zhǔn)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）

為改善大氣環(huán)境質(zhì)量， 實現(xiàn)我國煤電的超低排放改造， 全國各地電廠均在進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的升級與改造[1-2]。 電廠鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機設(shè)備是燃煤機組重要耗電設(shè)備， 如果能夠?qū)燂L(fēng)系統(tǒng)或煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[3-5]，降低運行阻力，可以大幅度降低電廠能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。 這里本文將電廠鍋爐尾部煙道作為研究重點，提出幾種優(yōu)化設(shè)計改造方案，并使用流體力學(xué)數(shù)值計算仿真模擬手段， 對優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行研究， 分析了優(yōu)化設(shè)計方案的煙道阻力及兩路流量均衡性，擇優(yōu)選擇優(yōu)化設(shè)計方案，指導(dǎo)電廠鍋爐尾部煙道的優(yōu)化設(shè)計改造工作。

1 4# 機組煙道構(gòu)型

電廠4#機組的鍋爐尾部煙氣，分別經(jīng)過兩臺空預(yù)器進(jìn)行熱交換， 而后流經(jīng)兩路結(jié)構(gòu)對稱設(shè)計的煙道，在兩路水平煙道之間設(shè)置有聯(lián)箱（如圖1 所示），再爬升進(jìn)入兩路布袋除塵器。 可以看到，煙道結(jié)構(gòu)中有很多彎曲構(gòu)型、直角彎頭、聯(lián)箱等，預(yù)估會使得煙氣流動不那么順暢，為了減少煙道阻力，勢必對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或調(diào)整。

圖1 準(zhǔn)能矸石電廠4# 機組尾部煙道結(jié)構(gòu)示意圖

2 煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

本文提出3 種優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，對原有煙道結(jié)構(gòu)的問題進(jìn)行了改進(jìn)。 圖2～圖4 分別給出了3 種煙道優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2 所示方案中，兩路煙氣水平拐彎后，先匯合，而后再分兩路，進(jìn)入除塵器，相比較原煙道來講，去除了直角彎頭與聯(lián)箱結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。 圖3 所示方案中，則是兩路煙氣分別獨自直接經(jīng)過圓滑的彎頭并爬升至兩路除塵器，不再進(jìn)行中間的匯合， 估計這樣可使得煙道阻力減少最多。圖4 所示方案中，則是取消了煙氣從空預(yù)器出來的水平拐彎，直接垂直拐彎，經(jīng)弧形彎頭匯聚，而后爬升再分兩路進(jìn)入除塵器，預(yù)計也能減少煙道阻力。

3 數(shù)值計算方法

圖2 煙道優(yōu)化方案1 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 煙道優(yōu)化方案2 結(jié)構(gòu)示意圖

本文數(shù)值計算仿真過程中使用到了流體力學(xué)的連續(xù)方程、動量方程、能量方程，并結(jié)合了工程上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程模型[6]，計算格式使用了二階迎風(fēng)格式， 煙氣粒子的運動則使用隨機軌道模型模擬[7]，主要考慮到作用在顆粒上的氣相阻力和重力，其它力相對較小可忽略不計。 原有的鍋爐尾部煙道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煙氣流動有垂直拐彎、水平拐彎、爬升，流動本身會產(chǎn)生漩渦分離，這些都會帶來較大的煙道阻力。 使用數(shù)值模擬方法可以對煙道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流動阻力進(jìn)行分析， 還能夠?qū)υO(shè)計過程中的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)先評估，提高效率。

圖4 煙道優(yōu)化方案3 結(jié)構(gòu)示意圖

4 計算工況及邊界條件

計算中， 計算域入口使用質(zhì)量流量入口邊界條件，煙氣體積總流量234e+4 m3/h，溫度約145 ℃，煙氣 成 分 大 致 為 N273% ，O22.66% ，CO214.9% ，H2O9.45%。 出口使用壓力出口邊界條件，煙道壁面假設(shè)無熱交換。煙氣中的粉塵顆粒質(zhì)量流量約為87 t/h。數(shù)值模擬仿真計算，分別對煙氣的氣體流動開展了計算研究， 還對煙道中的氣體顆粒兩相流動開展了研究。

5 煙道優(yōu)化設(shè)計數(shù)值計算結(jié)果與分析

經(jīng)過數(shù)值計算， 分別得到了各種優(yōu)化設(shè)計方案的煙道阻力，包括含粉塵與不含粉塵的情況，并與原煙道的阻力進(jìn)行了比較（如表2 所示）。 從表中可以看出：①3 種煙道優(yōu)化方案，考慮粉塵影響與不考慮粉塵影響的煙道阻力計算數(shù)值，二者差異均在20 Pa以內(nèi)，該數(shù)值很小，即在優(yōu)化設(shè)計方案中粉塵帶來的阻力影響很??；②3 種煙道優(yōu)化方案中，方案2 阻力最小約220 Pa，方案1 阻力約為310 Pa，方案3 阻力約為360 Pa；③方案2 中由于缺少聯(lián)箱設(shè)計，無法起到均衡兩個空預(yù)器出口的兩路煙氣的作用， 方案3中，由于煙道拐彎半徑太小，與煙道內(nèi)的煙氣流動不匹配，反而會引起較大的阻力；④方案1 的煙道優(yōu)化設(shè)計使得煙氣拐彎阻力減少， 且兩路煙氣匯合部位的設(shè)計能夠起到平均兩路煙氣流的作用， 應(yīng)該是性能比較均衡的優(yōu)化方案。

表2 煙道阻力數(shù)值

圖5 分別給出了原煙道結(jié)構(gòu)與3 種優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的內(nèi)部剖面煙氣流線圖。 從圖5（a）中可以看到，煙氣經(jīng)由空預(yù)器垂直向下流動， 而后拐彎進(jìn)入水平煙道，再拐彎經(jīng)過直角彎頭進(jìn)入聯(lián)箱，并從聯(lián)箱上部兩個出口爬升至除塵器入口，在水平煙道、直角彎頭與聯(lián)箱附近可以看到煙氣流線較為混亂， 有很多渦結(jié)構(gòu)，并且呈現(xiàn)出三維漩渦運動特征，這使得流動阻力較大；從圖5（b）中可以看出，圓弧彎頭與先匯聚再分開的聯(lián)通設(shè)計，使得流線較為順暢，減少了煙道阻力；從圖5（c）中可以看出，由于左右兩路煙氣未設(shè)置聯(lián)通結(jié)構(gòu)， 直接由圓弧設(shè)計的管道流至除塵器入口，流線更為順暢，煙道阻力可以降低更多；從圖5（d）中可以看出，煙道雖然采用了圓弧彎頭設(shè)計，但是可能由于轉(zhuǎn)彎半徑過小， 在聯(lián)通煙道附近引起了較強的漩渦流動結(jié)構(gòu)， 這使得煙道阻力減少并是不是特別多。

圖6 分別給出了原煙道結(jié)構(gòu)與3 種優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的內(nèi)部剖面流場壓力分布圖。 從圖6（a）的剖面壓力云圖中可以看出， 在直角彎頭和聯(lián)箱附近及爬升段，是壓力損失較大的地方。 而圖6（b）、（c）、（d）的剖面壓力云圖中，與圖6（a）相比較，明顯看出煙道入口和出口的壓力差減少很多， 表明3 種優(yōu)化設(shè)計方案均能較大地減少煙道阻力。

圖7 分別給出了原煙道結(jié)構(gòu)與3 種優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場煙氣流線圖。 從圖7（a）中可以更加清晰直觀地看到煙道內(nèi)部流動漩渦結(jié)構(gòu)， 相應(yīng)的在該部位附近也是阻力最大的位置。 同時還看到，3 種優(yōu)化設(shè)計方案使得流線走勢更為光順， 削減了漩渦流動結(jié)構(gòu)，使得煙道阻力減少。

圖5 煙道內(nèi)部剖面流場煙氣流線圖

圖6 煙道內(nèi)部剖面流場壓力分布圖

圖7 煙道中煙氣流線圖

圖8 與圖9 分別給出了原煙道與優(yōu)化設(shè)計方案1 的進(jìn)出口流量計算情況， 圖中的曲線則是進(jìn)出口流量隨著計算過程的變化趨勢。 圖8（a）、（b）分別是進(jìn)口流量偏差±5%與±10%條件下的出口流量情況，圖中上側(cè)兩條線表示進(jìn)口流量，是計算設(shè)定條件，可以看出進(jìn)口流量平穩(wěn)保持設(shè)定數(shù)值， 圖中下側(cè)是計算出的兩路出口流量，可以看出，這兩條線走勢很不穩(wěn)定，表明兩路出口的煙氣流量不均衡、不穩(wěn)定。 圖9（a）、（b）給出的優(yōu)化設(shè)計方案1 的流量情況，可以看到， 在兩路入口給定流量偏差±5%與±10%條件下，兩路出口流量的兩條線走勢平穩(wěn)，且計算出的流量偏差相比于入口流量偏差還有所縮小， 說明優(yōu)化設(shè)計方案1 中的聯(lián)通結(jié)構(gòu)起到了重要的均衡作用。

圖8 原煙道進(jìn)出口流量計算情況圖

表3 給出了原煙道與優(yōu)化設(shè)計方案1 的從空預(yù)器出來的兩路煙氣流量的均衡性情況。 可以看到，當(dāng)兩臺空預(yù)器內(nèi)部發(fā)生問題， 使得兩路煙氣不均勻時，比如，一路在原有流量基礎(chǔ)上增加5%，另一路在原有流量基礎(chǔ)上減少5%，那么在后續(xù)的除塵器入口附近，兩路煙氣的流量不均衡程度會擴大， 流量偏差接近了±14%，并且煙道總阻力是增加的；而若兩路由空預(yù)器帶來的入口流量偏差±10%的話， 那么后續(xù)兩路煙氣流量偏差則達(dá)到±18%。 原煙道中的聯(lián)箱設(shè)計沒能發(fā)揮出應(yīng)有的作用。 從表3 中還可以看到，煙道優(yōu)化設(shè)計方案1 的流量分配情況，當(dāng)兩路入口煙氣流量偏差±5%時，兩路出口煙氣流量偏差為±3%，當(dāng)兩路入口煙氣流量偏差±10%時，兩路出口煙氣流量偏差為±6.6%，流量不均衡也會使得煙道阻力增加，但阻力增加量較小，表明優(yōu)化設(shè)計方案1 給出的煙道聯(lián)通結(jié)構(gòu)能夠?qū)陕窡煔饬髁康木馄鸬揭欢ǖ淖饔谩?/p>

圖9 優(yōu)化方案1 的進(jìn)出口流量計算情況圖

表3 兩路煙道流量均衡性研究

6 結(jié)論

本文開展的電站鍋爐尾部煙氣煙道優(yōu)化設(shè)計研究，提出了3 種優(yōu)化設(shè)計方案，且進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真計算，研究表明3 種方案均能夠減少煙道阻力，但其特點不盡相同，可以得到的研究結(jié)論如下：

（1）3 種煙道優(yōu)化方案，考慮粉塵影響與不考慮粉塵影響的煙道阻力計算數(shù)值， 二者差異均在20 Pa以內(nèi)，影響很??；其中，方案2 阻力最小約220 Pa，方案1 阻力約為310 Pa，方案3 阻力約為360 Pa；還有，方案2 中缺少聯(lián)箱設(shè)計， 無法均衡兩路煙氣， 方案3中可能由于煙道拐彎半徑過小，反而引起較大阻力。

（2）煙道流場內(nèi)部流線分析表明，原煙道在水平煙道、直角彎頭與聯(lián)箱附近煙氣流線紊亂，呈現(xiàn)出三維漩渦運動特征，這使得流動阻力較大；而3 種優(yōu)化設(shè)計方案， 均采用了光滑過渡的圓弧構(gòu)型的煙道部件，使得流線較為光順流暢，減少了煙道阻力。

（3）煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計中兩路煙氣均衡性研究表明，原煙道兩路煙氣流量若偏差±5%， 則煙道出口兩路煙氣流量偏差會擴大到±14%， 若兩路入口流量偏差±10%， 那么煙道出口兩路煙氣流量偏差則達(dá)到±18%，并且煙道總阻力增加；而煙道優(yōu)化設(shè)計方案1的流量分配情況，當(dāng)兩路入口煙氣流量偏差±5%時，兩路出口煙氣流量偏差為±3%， 當(dāng)兩路入口煙氣流量偏差±10%時，兩路出口煙氣流量偏差為±6.6%，流量不均衡也會使得煙道阻力增加， 但阻力增加量較小， 可見優(yōu)化設(shè)計方案1 對均衡兩路煙氣流量能夠起到一定的作用。