趙大周

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

660MW機(jī)組除塵器入口煙道流場(chǎng)分析

趙大周

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究了國(guó)內(nèi)某660MW機(jī)組除塵器入口煙道的流場(chǎng)分布，研究發(fā)現(xiàn)：進(jìn)入除塵器A列煙道的煙氣速度分布均勻性較差，并且試驗(yàn)測(cè)得速度分布與模擬結(jié)果吻合較好。而通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的B列煙道出口煙氣速分布與模擬得到的結(jié)果差異較大，氣固兩相模擬結(jié)果顯示：B列煙道內(nèi)的積灰，是導(dǎo)致煙氣速度分布改變的原因。

煙道；流場(chǎng)；數(shù)值模擬；飛灰

0　引言

煙道是連接電站系統(tǒng)各設(shè)備的主要部件，同時(shí)也用于輸送煙氣、冷風(fēng)等介質(zhì)[1]，其設(shè)計(jì)的合理與否直接影響著鍋爐機(jī)組的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，而除塵器入口段煙道，決定著進(jìn)入除塵器煙氣量的分配以及進(jìn)入除塵器煙氣速度分布的均勻性，進(jìn)而影響除塵效果。隨著國(guó)家對(duì)燃煤電站粉塵顆粒物排放要求的不斷提高，通過(guò)改善除塵器入口煙道的流場(chǎng)分布來(lái)提高除塵效率的研究具有重要意義[2-5]。

本文以國(guó)內(nèi)某660MW燃煤電廠除塵器與空預(yù)器之間的煙道為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究了煙道內(nèi)流場(chǎng)的分布規(guī)律，為煙道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1　研究對(duì)象及幾何模型

研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某660MW機(jī)組空預(yù)器與除塵器之間的一段煙道，入口煙道截面尺寸10484mm× 2696mm，兩出口煙道截面尺寸均為為5000mm× 4000mm。CFD幾何模型根據(jù)電廠提供的竣工圖等比例建立，模型如圖1所示。采用Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，規(guī)則煙道采用六面體網(wǎng)格，含有導(dǎo)流板的煙道采用非規(guī)則網(wǎng)格。整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)量約40萬(wàn)，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2　數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1數(shù)學(xué)模型

煙氣在煙道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，控制方程包括連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，通用形式如下：

式中ρ—煙氣密度，kg/m3；

u—煙氣流速，m/s；

φ—通用變量；

?！獜V義擴(kuò)散系數(shù)；

S—廣義源項(xiàng)。

由于飛灰在煙氣中的體積率較小，因此可采用拉格朗日離散相模型和顆粒軌道模型來(lái)進(jìn)行模擬研究?？紤]到煙道內(nèi)的湍流，采用隨機(jī)漫步模型（Discrete Random Walk，DRW）來(lái)模擬湍流對(duì)飛灰運(yùn)動(dòng)的影響。忽略飛灰顆粒受到較小的的浮力、Basset力、Saffman力等作用力，主要考慮重力和曳力的作用，顆粒運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中up—飛灰顆粒速度，m/s；

FD（u-up）—單位質(zhì)量飛灰顆粒所受的曳力；

ρp—飛灰顆粒密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2。

2.2邊界條件

煙氣入口速度為充分發(fā)展的湍流，反應(yīng)器出口為壓力出口條件。速度與壓力的耦合采用Simple算法。本文以機(jī)組600MW負(fù)荷下的工況為例進(jìn)行模擬研究，模擬采用的煙氣量為該負(fù)荷段DCS的平均值，反應(yīng)器入口煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　反應(yīng)器入口邊界條件

3　流場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)在機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、設(shè)備狀況正常的情況下進(jìn)行，以標(biāo)定過(guò)的畢托管在出口煙道處進(jìn)行動(dòng)壓測(cè)量。每個(gè)出口煙道測(cè)量7個(gè)測(cè)孔，每個(gè)測(cè)孔測(cè)量8個(gè)深度。得到機(jī)組600MW負(fù)荷下A列煙道出口截面Z方向的速度分布如圖3所示。

由圖3可以看出，A列煙道出口截面Z方向的速度分布很不均勻，整體呈現(xiàn)出左上位置流速高，右下位置流速低的特點(diǎn)，截面平均流速11.2m/s。

用相同的測(cè)試方法測(cè)得B列煙道出口截面Z方向的速度分布如圖4所示。

由圖4可看出，B列煙道出口截面Z方向的速度分布同樣不均勻，呈現(xiàn)出左側(cè)流速低，右側(cè)流速高的分布特點(diǎn)，截面平均速度大小為10.6m/s。為進(jìn)一步分析了解兩列煙道內(nèi)的速度分布，下文進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

4　數(shù)值模擬結(jié)果與討論

4.1流場(chǎng)分布

目前，工程中多以速度相對(duì)偏差系數(shù)來(lái)描述速度的均勻程度，速度相對(duì)偏差系數(shù)Cv定義為：

式中vˉ—平均速度大小，m/s；

σ—標(biāo)準(zhǔn)差。

采用上文的計(jì)算模型及邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算得到A列煙道出口及B列煙道出口截面Z方向煙氣平均流速分別為11.87m/s和10.83m/s，這與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值較為接近。A列煙道出口截面Z方向速度分布如圖5所示，B列煙道出口截面Z方向的速度分布如圖6所示。

通過(guò)對(duì)比圖3可看出，數(shù)值模擬得到的速度分布與試驗(yàn)得到的速度分布吻合較好，均體現(xiàn)為左上位置流速高、右下位置流速低的分布特點(diǎn)，數(shù)值模擬結(jié)果較為可靠。同時(shí)模擬計(jì)算得到A列煙道出口截面速度相對(duì)偏差系數(shù)達(dá)22.7%。

由圖6可看出，B列煙道速度分布呈現(xiàn)出左側(cè)位置速度高，右側(cè)位置速度低的分布規(guī)律，截面速度相對(duì)偏差系數(shù)為15.1%。通過(guò)對(duì)比圖4，可明顯看出數(shù)值模擬得到的速度分布與試驗(yàn)結(jié)果差異較大，速度分布規(guī)律近乎相反。為進(jìn)一步研究B列煙道出口截面速度分布與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生差異的原因，下文進(jìn)行氣固兩相流動(dòng)的模擬研究。

4.2飛灰分布

本文假設(shè)入口飛灰分布均勻，且飛灰顆粒與煙氣有相同的初始速度，飛灰粒徑分布服從Rosin-Rammler分布。模擬得到飛灰顆粒在煙道內(nèi)的分布如圖7所示。

由圖7可看出，在重力作用下飛灰顆粒容易沉積在上轉(zhuǎn)角煙道的下部以及水平煙道的底部。而該機(jī)組又長(zhǎng)期處于中低負(fù)荷運(yùn)行，煙氣量較小，煙道內(nèi)的速度較低，在低煙氣流速的情況下，飛灰顆粒更易沉積。

模擬結(jié)果顯示B列煙道內(nèi)側(cè)積灰較嚴(yán)重，假設(shè)由于積灰等原因?qū)е翨列煙道內(nèi)側(cè)局部區(qū)域堵塞，模擬計(jì)算得到B列煙道出口Z方向出口速度分布如圖8所示。

由圖8可看出，B列煙道內(nèi)側(cè)的積灰導(dǎo)致出口速度分布左側(cè)低右側(cè)高，與試驗(yàn)值吻合較好，也充分的說(shuō)明了B列煙道內(nèi)側(cè)有較嚴(yán)重的積灰或異物堵塞。

5　結(jié)語(yǔ)

采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)國(guó)內(nèi)某660MW燃煤電廠除塵器前煙道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）A列煙道出口速度分布的均勻性較差，相對(duì)偏差系數(shù)達(dá)22.7%，模擬得到的速度分布與試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果相吻合。

（2）B列煙道出口速度分布的模擬結(jié)果與試驗(yàn)得到的速度分布差異較大，原因?yàn)锽列煙道內(nèi)側(cè)長(zhǎng)期積灰導(dǎo)致流通截面的改變，從而引起了速度分布發(fā)生了改變。

（3）氣固兩相的模擬結(jié)果顯示：飛灰顆粒易沉積在上轉(zhuǎn)角煙道的底部以及除塵器入口水平煙道的底部，因此在機(jī)組停運(yùn)期間，應(yīng)及時(shí)清理煙道內(nèi)的積灰。

[1]車德福，莊正寧，李軍，等.鍋爐[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2008：65-66.

[2]劉明，孟桂祥，嚴(yán)俊杰，等.火電廠除塵器前煙道煙道流場(chǎng)性能診斷與優(yōu)化[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013,33（11）：1-6.

[3]張樂(lè)川，蔣麗，候振.除塵器前煙道優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].電站系統(tǒng)工程，2010,26（4）：33-34.

[4]李國(guó)堂，李立曉，白穜.除塵器前圓形煙道流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].鍋爐技術(shù)，2014，45（1）:22-25.

[5]齊曉娟，李鳳瑞，周曉蕓.電除塵器進(jìn)口矩形煙道氣流分布改進(jìn)的CFD模擬[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011，5(2):404-407.

Flow Field Analysis Before the Dust Collector of 660MW Power Unit

ZHAO Da-zhou
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The flow field distribution of inlet flue ofa 660MW unitwas studied,Based on field testand numerical simulation,the results show that：The uniformity of flue gas velocity distribution in A flue is poor,simulation results are in good agreementwith theexperimental results.The fluegasvelocity distribution in the B fluewhich obtained by field testand simulation aredifferent.Gassolid two phase simulation resultsshow：ash deposition in the B flue is the cause of thechange of thevelocitydistribution.

field test；flow field；numerical simulation；ash

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.009

TM621.7+3

B

2095-3429（2016）05-0036-04

趙大周（1990-），男，山東棗莊人，碩士，助理工程師，研究方向：燃煤電廠大氣污染物的控制。

2016-06-21

2016-08-04