苗世昌

(大唐洛陽熱電有限責任公司，河南洛陽471000)

電站鍋爐的一般排煙溫度為120～140℃，能量損失為3%～8%，對排煙余熱進行回收與利用可顯著提高鍋爐效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。為適應電站鍋爐排煙余熱節(jié)能改造的需要，在除塵器前煙道設置低溫省煤器，利用回熱系統(tǒng)的低溫給水吸收鍋爐排煙余熱，可大幅度降低鍋爐排煙溫度，文獻［1－3］對低溫省煤器進行了研究。除塵器前煙道低溫省煤器內(nèi)煙氣流速偏差會降低低溫省煤器換熱效率，同時還會對低溫省煤器管路造成磨損、沖刷［4－5］。除塵器前煙道系統(tǒng)用于連接空氣預熱器與除塵器，并將煙氣分配到除塵器各室，除塵器前煙道系統(tǒng)內(nèi)流速的均勻程度將影響除塵器各室煙氣分配的均勻程度，并影響到除塵器的電耗和除塵效率［6］。張燕［7］采用數(shù)值模擬方法對加裝低溫省煤器后鍋爐尾部煙道進行研究，分析了煙道內(nèi)部流場對低溫省煤器的影響。王為術(shù)［8］對除塵器區(qū)低溫省煤器煙道的流場均化和導流優(yōu)化設計進行數(shù)值模擬研究，分析了流場不均對除塵器區(qū)低溫省煤器及除塵器工作性能的影響，并提出有效的優(yōu)化方案。劉明［9］利用數(shù)值模擬對除塵器前煙道流場進行數(shù)值計算，研究該段煙道的流場對除塵器的影響，并提出改造方案。某電廠300 MW燃煤機組除塵器前煙道結(jié)構(gòu)設計不合理，阻力偏大、流量分配不均，導致該段煙道磨損嚴重、除塵器電耗高、除塵效率低。為此，筆者采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合前煙道低溫省煤器改造，進行數(shù)值試驗研究，以獲得煙道內(nèi)煙氣流態(tài)和速度分布，為工程技術(shù)改造提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 網(wǎng)格模型

研究對象為300 MW燃煤機組，每臺機組布置有四臺除塵器，空氣預熱器至除塵器間煙道為對稱結(jié)構(gòu)，在鍋爐除塵器前煙道加裝低溫省煤器，選取空預器出口到除塵器出口煙道系統(tǒng)作為研究對象，可選取兩個除塵器作為一個煙道單元，如圖1所示。針對煙道單元內(nèi)流場特性進行數(shù)值模擬，利用ICEM軟件對兩個除塵器和一個低溫省煤器的煙道單元進行三維建模和網(wǎng)格劃分，煙道系統(tǒng)網(wǎng)格如圖2所示。應用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)，對管屏與導流板處進行局部加密，在計算過程中通過逐步細化網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無關(guān)解，網(wǎng)格總數(shù)為450萬個。

1.2 數(shù)學模型與邊界條件

在除塵器前煙道的數(shù)值模擬中，采用FLUENT6.3軟件進行計算，煙氣的流動是基于雷諾時均N－S方程，采用RNGk～ε雙方程湍流模型進行模擬:

動量方程:

湍動能方程:

湍動能耗散率方程:

式中:ui為流體平均速度;fi為沿i方向的質(zhì)量力;ρ為水的密度;p為流體壓力;v為水的運動粘性系數(shù);vi為渦粘性系數(shù);σk、σε為方程的Prandtl數(shù)，同時取 1.39;C1ε、C2ε為模型常數(shù)，分別取1.42、1.68;取 0.084 5。

近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)法，采用SIMPLE算法模擬速度場與壓力場耦合，采用一階迎風差分格式，隱式求解［9］;計算采用低松弛迭代的變松弛系數(shù)法。模型進口采用速度入口條件，入口流場為斷面平均流速，模擬機組BMCR工況;出口為自由出流;壁面粗糙度厚度取為0.5 mm。

1.3 速度偏差系數(shù)

采用速度偏差系數(shù)來表征煙道內(nèi)不同截面速度分布均勻性，以此來判斷速度分布的優(yōu)劣，Cv定義如下:

式中:vi為截面上某點速度為截面平均速度，m/s。

2 計算結(jié)果與分析

如圖3所示，除塵器前煙道系統(tǒng)內(nèi)整個煙氣流場分布非常紊亂，轉(zhuǎn)彎處均有明顯的高速區(qū)和漩渦區(qū)，最高速度達32 m/s，這加劇了煙道的磨損;煙氣進入除塵器后，煙氣的流態(tài)紊亂，造成灰斗中過渡區(qū)的二次揚塵，增加了除塵器的電耗，同時也影響到除塵器的安全。

煙氣進入前煙道后，首先經(jīng)入口彎頭的導向，因離心作用出現(xiàn)明顯的速度不均，煙氣無法充滿彎頭整個區(qū)域。在進入分流區(qū)域時，由于彎頭的導向，A、B側(cè)速度分布同樣存在嚴重的不均勻性，如圖4所示，A、B側(cè)煙道均存在明顯的高速區(qū)域，這將影響低溫省煤器的煙氣入口條件。圖5為低溫省煤器入口截面速度分布圖，如圖5(a)所示，低溫省煤器A入口截面上部速度較高，最大速度為16 m/s，下部最低速度為9 m/s，截面最大的速度偏差為31.2%;如圖5(a)所示，由于受前部煙道彎頭的影響，煙氣在低溫省煤器B入口截面的速度分布嚴重不均，上部速度高達17 m/s，而最低速度只有8 m/s，截面最大的速度偏差為46.9%;可見低溫省煤器入口流場惡劣，這將影響低溫省煤器的工作效率和安全。

圖6為低溫省煤器內(nèi)煙氣速度分布，基于惡劣的入口條件，煙氣在進入低溫省煤器后，由于煙道的擴充，導致擴充方向煙氣速度降低，在到達換熱管屏時，速度分布嚴重不均。如圖6(a)所示，低溫省煤器A管屏截面最大速度為12 m/s，而最小只有2 m/s左右，最大速度偏差達67.5%;如圖6(b)所示，管屏截面最大速度為12 m/s而最小只有2 m/s，由于低溫省煤器B的煙道的轉(zhuǎn)向更大，低溫省煤器內(nèi)低速區(qū)域較大，所以最大速度偏差達79.3%，這樣的速度反差很大且分布不均，嚴重影響低溫省煤器的換熱效果，同時會磨損、沖刷低溫省煤器管路，危及低溫省煤器的安全。

由于低溫省煤器煙道擴展與減縮，導致煙氣在進入除塵器時的速度分布不均，如圖7(a)所示，由于受到低溫省煤器出口處減縮結(jié)構(gòu)的影響，除塵器A入口截面下部速度高于上部速度，最大速度為14 m/s，最小速度為2 m/s;如圖7(b)所示，由于低溫省煤器B結(jié)構(gòu)的不對稱性，從低溫省煤器B出來的煙氣速度更加紊亂，在除塵器B入口截面的下部約有截面四分之一面積大小的低速區(qū)域，最低為2 m/s，而上部速度最高達18 m/s，上下部較大的速度差會對除塵器的工作產(chǎn)生影響，當煙氣進入除塵器后將發(fā)生偏斜，除塵器入口氣流速度不均會影響除塵器對煙塵顆粒的捕集;流場的紊亂還會造成灰斗中過渡區(qū)的二次揚塵，影響除塵器的工作效率，增加了除塵器的電耗［10］。

3 結(jié)語

1)在除塵器區(qū)煙道彎頭多、轉(zhuǎn)彎急，導致煙道內(nèi)速度場分布嚴重不均，最高速度達32 m/s，是煙道內(nèi)磨損嚴重、除塵器電耗高、除塵效率低的根本原因，除塵器前煙道內(nèi)整流消渦可以根治除塵器工作效率的問題。

2)在除塵器區(qū)加裝低溫省煤器后，惡劣的入口流場以及低溫省煤器煙道的結(jié)構(gòu)導致內(nèi)部流場分布不均，換熱管屏區(qū)域速度偏差較大，影響低溫省煤器的換熱效果，危及低溫省煤器的安全。

3)低溫省煤器出口的煙氣速度分布紊亂，使得煙氣進入除塵器后將發(fā)生偏斜，除塵器內(nèi)煙氣分配不均勻，增加了除塵器電耗，影響除塵器的穩(wěn)定高效運行。

［1］顧偉，翁一武，曹廣益，等.低溫熱能發(fā)電的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.熱能動力工程，2007(22):115－119.

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［10］常瑞敏，熊紅彥，舒佳慧.基于生態(tài)理念的鶴壁市鶴淇產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)規(guī)劃研究［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2013，30(2):42 －46.