方 偉，梁松彬，任建興

(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院，上海 200009)

燃用天然氣和燃煤的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組已成為中國電力工業(yè)中的一個重要組成部分.2006年我國開始組裝9E機組，并在同年投入試運行.現(xiàn)在更大型的9FA機型也在國內得到廣泛應用.

但是，在燃氣輪機的大型化過程中也出現(xiàn)了一些需要解決的技術問題，其中，作為連接燃氣輪機和余熱鍋爐的必不可少的組件，過渡煙道的金屬風道長期在高溫、高速、大流量的環(huán)境下，劇烈振動對風道的穩(wěn)定和壽命都有很大的不利影響.漏風會減少余熱鍋爐的有效熱利用率，降低機組的效率.因此，研究過渡煙道內部流場與流場阻力顯得十分重要.

1 過渡煙道的結構對流體速度均勻性的影響

過渡煙道的特殊位置決定了其特殊的結構形式，圖1顯示的是過渡煙道的截面形狀.燃機排氣口與鍋爐受熱面尺寸相差較大，中間需要有過渡煙道相連.過渡煙道連接著燃氣輪機的出口，高溫高壓的煙氣，開始在漸擴段射流，在這里壓力和速度發(fā)生陡然變化.這種變化對高溫下風道的影響是不利的，會產生劇烈的振動和明顯的熱脹.高頻的振動對機組的可靠性影響較大.這些都是由于煙氣在各個方向上的速度梯度不均勻，造成了壓力梯度的不同引起的.因此，改變速度的不均勻性，對于減少振動也是有利的.

圖1 過渡煙道的截面形狀

隨著燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的大型化，燃氣輪機(燃機)排氣量不斷增加，如7EA級燃機排氣量約為292 kg/s，9E級燃機排氣量為418 kg/s，9F級燃機排氣量約為641 kg/s.隨著燃機排氣量的增加，余熱鍋爐的容量和體積也不斷增大［1］.對于燃氣輪機來說，由于受場地及費用限制，過渡段不可能很長;對余熱鍋爐來說，進入受熱面的煙氣流速越均勻越好.因此，如何使進入鍋爐的煙氣均勻，是設計大型燃機余熱鍋爐必須解決的問題.目前，已有很多公司和學術機構對這一課題進行了數(shù)值計算及?；囼灒?］.GE公司在燃氣輪機的研發(fā)方面取得了很多成果，生產的功率為126 MW的9E和255.6 MW的9FA系列機大多用于聯(lián)合循環(huán)電站，主要是作為具有良好經濟性、帶基本負荷和中間負荷的機組.

以排氣煙道為對象，建立數(shù)值模型來研究內部煙氣的流動特性.對于特定的煙道，選用結構型分割法進行網(wǎng)格劃分，分割得到210 000個左右分割體.煙風道中的流動一般是湍流流動，其詳細結構的理論描述和計算都比較復雜，目前工程上都采用湍流模型的方法模擬湍流的整體特征.采用標準的k-ε模型模擬煙道中的湍流流動.假設煙風道中的煙氣流動為定常不可壓流動，可采用式(1)的通用控制方程來描述:

湍流動能k方程:

耗散率ε方程:

式中:C1=1.44，C2=1.92.

2 模擬結果分析

當過渡煙道上面板的仰角為37°時，可以看到底部的速度是22.6 m/s，頂部的速度只有1.74 m/s左右.流場的充滿度比較充足.如圖2所示.當上面板的角度增加到 45°時，模擬劃分為159 565個單元體.底部的速度為21.0 m/s，頂部的速度小于1.61 m/s.流場的充滿度減少.如圖3所示.

圖2 上面板角度37°對煙氣速度的影響

圖3 上面板角度45°對煙氣速度的影響

由圖3可知，當上面板的角度增加到45°時，煙道上部的煙氣流速變得更小，中部以下的煙氣流速比上部的煙氣流速大5 m/s以上，煙道內部的煙氣流動很不均勻.初始段的均勻度很好，但是出口段截面的速度差別很大，對余熱鍋爐的管束傳熱不均勻.

為了得到均勻的流速，我們試圖在進口處增加兩塊導流板，其仰角分別為20°和10°，上面板的角度仍為45°，如圖4所示.

由圖4可以看到，增加了導流板后，煙道內的流體均勻性有了很大的提高，但增加了煙道結構的復雜性和煙道的阻力，這為長期的滿負荷運行帶來了安全隱患.

另外，在煙道進口處增加導流板后能有效改變整個煙道內煙氣的速度場:煙道中部和下部的流速減小，中上部的煙氣流速得到了一些加強，整個煙道的出口截面的速度均勻度得到了改善.但這一結果是在增大煙道的局部阻力的前提下得到的，因而仍需作改進.

圖4 上面板角度為45°時增加的兩塊導流板對煙氣速度的影響

3 煙道局部阻力對煙氣流動的影響

雖然紊流中的瞬時值隨時間是無變化規(guī)律的，但其時均值卻是有變化規(guī)律的.時均值不隨時間改變的紊流流動被稱為準定常紊流［3］.

紊流流動中，管道流阻一般分為沿程阻力和局部阻力.由于粘性，各流層之間產生的內摩擦阻礙了流體的運動，為了克服這種內摩擦阻力所損失的機械能被稱為沿程阻力損失或沿程損失.它是一種沿管道長度上的能量損失.另外，在管道系統(tǒng)中，由于管截面面積的突然變化、彎管流動，以及其他管路配件所產生的機械能損失，被稱為局部阻力損失或局部損失.它是由流體之間碰撞、摻混、渦流與流速變化引起的，這部分損失在燃氣輪機管道中是主要的，也是需要研究的重點.

在燃氣輪機進氣管道中，流程損失約占總損失的20%，彎管的損失約占進氣系統(tǒng)損失的2/3(它的損失一般都應由模型試驗確定).在工程設計中，異形件的阻力系數(shù)越準確，所導致的設計偏差就越小，從而可以減少建設投資和運行費用.林宗虎等通過對電廠煙風道異型件的阻力特性進行數(shù)值和實驗研究，提出部分常用異形件的阻力系數(shù)的工程計算模型和計算方法，為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組煙風道的設計提供了更加可靠的依據(jù)［4］.

4 局部阻力的計算方法

燃氣輪機的煙氣出口都是圓形的，因而連接燃氣輪機和余熱鍋爐的是天圓地方的突擴過渡煙道.這是一個特殊的管道，其阻力計算沒有現(xiàn)存的任何方法.煙風道阻力計算是火力發(fā)電廠設計的重要環(huán)節(jié)之一，其計算結果是設備選型、截面尺寸選擇，以及管道布置的依據(jù)，也關系到煙風系統(tǒng)的造價和運行的經濟性.在常規(guī)的工程設計過程中，煙風管道阻力計算的主要依據(jù)是相關的設計規(guī)范和手冊，并根據(jù)管道的布置情況，通過查閱相應的設計圖表來完成的.現(xiàn)已逐步由原來的手工計算發(fā)展成為部分或完全由計算機計算，這樣既提高了工作效率和計算的準確性，又便于歸檔，同時也縮短了設計周期.然而在設計過程中經常會遇到一些特殊的部件，如圖5中的圓方節(jié)，在通常的設計手冊中并未給出相應的阻力系數(shù)或計算方法.

圖5 圓方節(jié)模型

異形件是煙風管道連接系統(tǒng)中達到介質轉向和分配必不可少的組成部分，其壓頭消耗份額占系統(tǒng)阻力的很大部分，甚至是絕大部分.優(yōu)良的異形件不但能減少阻力損失，而且能在運行中避免震動和噪音［5］.因此，異形件阻力計算已經成為目前電廠煙風道設計中迫切需要解決的難題.

國外在這方面的研究相對比較系統(tǒng)，如美國、德國和前蘇聯(lián)都積累了一定的數(shù)據(jù)或標準.很多著名廠商或公司都很重視異形件的實驗研究、理論計算，以及優(yōu)化異形件設計，研究成果中的一部分已形成了“標準異形件設計手冊”，供工程設計人員選用，也有一些研究成果成為商業(yè)機密而不公開發(fā)表.

目前，我國燃煤電廠煙風道異型件的設計仍采用國外提供的經驗數(shù)據(jù)或者規(guī)范.東南大學能源與環(huán)境學院在這方面做了一些研究，把圓方節(jié)進口雷諾數(shù)的平方與壓力損失進行擬合，結果表明，壓力損失與雷諾數(shù)的平方成正比［6］.

5 結論

(1)在改變煙道的上面板仰角的同時，會增加過渡煙道的局部阻力和沿程阻力，增大過渡煙道建設場地.

(2)減小煙道上面板的傾角有利于改善出口界面的煙氣流速均勻性.

(3)增加導流板并適當增加上面的傾角，在節(jié)約場地的基礎上可改善出口煙氣流速的均勻性.

［1］MASLAK Chris E，TOMLINSON Leroy O.GE Combined-Cycle Experience.GE Industrial＆ Power Systems.Schenectady，NY 12345.GER-3651D［P/OL］.2000.www.ge-energy.com/prd_serv/products/.

［2］趙劍云，潘維，池作和.大型燃氣輪機余熱鍋爐進口煙道速度均勻性研究［J］.熱力發(fā)電，2004，33(8):37-40.

［3］潘維，池作和，斯東波，等.勻速流體橫掠管束的流場數(shù)值模擬［J］.浙江大學學報，2004，(8):1 043-1 046.

［4］林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1999:821-843.

［5］國家電力公司華東電力設計院.火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程［M］.北京:中國電力出版社，2000:37-45.

［6］楊巨川，方洪祖.國外的燃氣輪機和蒸汽燃氣聯(lián)合裝置［J］.燃氣輪機技術，1989，(3):69-73.