文玨， 黨岳， 曹超

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北分公司，西安710021）

0 引言

電廠低低溫省煤器技術利用煙氣余熱加熱凝結水，在提高機組效率的同時降低排煙溫度，可提高除塵效率、減少污染物排放[1]。近年來，越來越多的機組開始使用此技術以達到節(jié)能降耗的目的[2-11]。但在應用低低溫省煤器技術的過程中，可能會出現低低溫省煤器過度磨損、堵塞等問題[12-14]，影響機組安全穩(wěn)定運行。過度磨損原因主要有兩點：一是飛灰中夾帶堅硬顆粒沖刷管子表面；二是煙氣流速過高。煙氣中的堅硬顆粒物濃度可以通過加裝爐內除塵器、改善煤粉細度等方法降低，煙氣流速則需要通過優(yōu)化導流板結構、增加防磨蓋板等方式予以控制[15]。理論上，導流板結構優(yōu)化既可以通過實驗方法確定，也可以通過數值模擬方法確定。實際應用中煙道尺寸大，實驗方法難以有效實現。相對而言，數值方法可操作性強、分析全面，其精度也可滿足工程需求。因此，本文選用數值模擬的方法分析低低溫省煤器磨損原因，對不同導流板結構下的煙氣流場進行對比分析，進而提出切實可行的改進措施。

1 機組概況

某燃煤電廠4號鍋爐為武漢鍋爐廠生產的WGZ1100/17.5－1型亞臨界自然循環(huán)鍋爐，采用直流擺動燃燒器、四角布置、雙切圓燃燒，一次再熱、平衡通風、三分倉容克式空氣預熱器，固態(tài)除渣、全鋼構架、懸吊結構、鍋爐緊身封閉。燃用大同煙煤。2014年進行電除塵改造的同時進行了低低溫省煤器改造，運行2 a期間，低低溫省煤器發(fā)生多次泄漏，造成煙道堵灰嚴重，影響鍋爐的安全運行，電廠多次組織檢修工作，經濟損失嚴重。

低低溫省煤器高溫段采用20鋼，低溫段管排材質均采用耐腐蝕的ND鋼，避免產生低溫腐蝕，設計腐蝕速率不大于0.2 mm/a。根據省煤器材質、煤質以及設計腐蝕速率，該電廠低溫省煤器煙氣流速應控制在7 ～12 m/s的范圍，過高流速會加快省煤器腐蝕，流速過低會造成省煤器積灰。安裝2排假管，聲波吹灰器安裝在高溫段和低溫段之間。

圖1 假管和低低溫省煤器磨損實物圖

運行后發(fā)現低低溫省煤器入口處假管吹損嚴重，且低低溫省煤器經常被磨損，位置均為導流板切向方向，如圖1所示。經過初步分析，推測原因為導流板設置不合理，導致局部流速過大，造成低低溫省煤器入口處局部管道磨損嚴重。

2 CFD方法簡介

CFD方法是流體力學的一個分支，以電子計算機為手段，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題研究的目的。描述流體流動的Navier-Stokes偏微分方程組是非線性的，實際問題又比較復雜，因此精確解只能在某些非常簡化的模型中得到，很難用于實際工程。CFD方法核心是將Navier-Stokes方程通過離散的方法轉化成線性方程組，通過分析實際問題確定合適的邊界條件，從而求解得到線性方程組的解，進而得到所計算流體的流動參數，在保證計算精度的同時獲得可靠的結果，用于指導工程實踐。

本文中流體的控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程，選用的湍流方程為RNG k-ε方程，如下所示。

連續(xù)性方程：

式中：u為速度；x,y,z為笛卡爾坐標系三個方向。

動量方程組：

式中：ρ為密度；P為壓力；ν為黏度。

RNG k-ε方程：

式中：Gk為層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb為由浮力而產生的湍流動能；Ym為由于在可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動；C1，C2，C3為常量；αk和αε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數；Sk和Sε為用戶自定義源項。

3 模擬及結果分析

3.1 邊界條件設定

初步分析原因可能是煙道導流板布置不合理或不完善的原因導致低低溫省煤器入口煙氣流速不均勻，造成局部磨損。為驗證分析的正確性，使用三維建模軟件建立煙道模型（如圖2），煙道出口連接低低溫省煤器入口導流板為厚度5 mm的薄金屬片，由于只研究流體流動，因此導流板部分做挖空處理。

圖2 煙道模型

邊界條件設置：入口設置為速度入口邊界條件，根據電廠實際流量，入口速度設為10.26 m/s，出口設置為壓力出口邊界條件，出口表壓為0 Pa。出入口均選用湍流強度和水力直徑湍流邊界條件。經過計算，取入口湍流強度為2.88%，水力直徑2.1 m，出口湍流強度為2.76%，水力直徑4.68 m。

3.2 網格獨立性測試

將模型劃分網格時，要確定計算結果不受網格數目和形式的影響，網格獨立性測試的結果如表1所示，可以看出，網格數目達到44萬時網格與計算結果已經無關，因此，本文取44萬網格。

表1 網格獨立性測試結果 m/s

3.3 評價標準

采用美國RMS標準作為判斷氣流均勻性分布的依據[15]，即相對均方根法。判斷公式如下：

本研究中重點觀測低低溫省煤器入口煙氣的流動狀態(tài)，因此取出口截面數據進行RMS標準判斷。

3.4 原導流板模擬結果

為直觀看到煙氣在煙道出口流速分布，做如圖2（a）中虛線所示截面，觀察截面上速度分布云圖，針對電廠原有導流板設置進行計算，結果如圖3、圖4所示。圖3是數值計算的速度云圖，垂直坐標為煙氣流速標尺，顏色越深，煙氣流速越高。圖4為出口1和出口2的速度分布曲線，橫坐標表示X方向的位置，圖中左側曲線為出口1的速度分布，右側曲線為出口2的速度分布，由圖中可以看出，沿導流板的切線方向速度變化劇烈，緊貼導流板的部分由于邊界層的原因流速很小，兩片導流板之間的流速增長迅猛，基本在中間處達到最高，最高流速可達14 m/s，遠超設計煙氣流速要求，且出口流速分布不均勻，這是造成低低溫省煤器局部磨損的主要原因。

圖3 原導流板布置下截面的速度云圖

圖4 原導流板布置下出口的速度曲線

3.5 新型導流板布置方案

某電廠現有的導流板設置方案明顯不合理，造成了比較嚴重的后果，影響機組安全穩(wěn)定運行，根據原導流板布置下的模擬結果，提出四種改進方案，這四種方案均可以降低導流板出口流速，使出口流速更加接近設計值。

1）方案一。取消原有煙道出口處的導流板，保留煙道中部彎頭處的導流板，計算結果見圖5、圖6，由圖5可以看出，取消原有導流板可以有效地降低煙氣的局部流速，并使之接近設計值范圍要求，但在擴散口兩側的深色區(qū)域，由于煙氣流速過低，會導致灰量堆積，造成煙道局部堵塞，降低換熱面積。由圖6可以看出，煙氣出口最大流速已控制為11 m/s。

圖5 方案一截面流速云圖

圖6 方案一出口流速分布曲線

圖7 方案二導流板改造方式示意圖

圖8 方案二截面流速云圖

2）方案二。將原有導流板7等分，每隔一等份取消一節(jié)導流板，如圖7所示。

圖9 方案二出口流速分布曲線

計算結果如圖8、圖9所示，由結果可以看出，方案二也可有效地降低煙氣的局部流速，最高流速可從原有的14 m/s降低至12 m/s，同時，出口處煙氣的流速分布趨于均勻，低流速區(qū)域明顯減少，積灰可能性降低。

圖10 方案三煙道改造

3）方案三。取消原有導流板，改變原有煙道布置，重新設計煙道（如圖10），使煙道以比較平滑的方式改變。

圖11 方案三出口流速分布曲線

計算結果由圖11所示，從圖11可以看出，煙氣流速明顯降低，最高出口煙氣流速10 m/s，達到設計要求，但還是存在流速分配不均的情況，靠近煙道出口內側積灰概率較大。

圖12 方案四流速截面云圖

圖13 方案四出口流速分布曲線

4）根據方案三的思路，在加寬后的流道出口添加圖12所示的導流板。由計算結果可以看出，煙氣在整個煙道中的流動較為均勻。由圖13可以看出，煙道出口流速保持在10 m/s的范圍以內。

3.6 方案對比

根據相對均方根的計算公式，得到四種方案的出口截面的相對均方根如表2所示。相對均方根的值越小，代表速度分布越均勻。后三種方案均能有效降低出口截面的相對均方根，其中，方案二的改進效果最明顯，同時，方案二較方案三、四來說更容易實施，結合煙氣最高流速綜合比較，方案二為最優(yōu)方案。

表2RMS標準計算結果

4 結論

使用CFD方法分析某電廠原導流板設置情況下流場分布，可以得出低低溫省煤器入口假管和管道的磨損原因為原導流板設置不合理，造成低低溫省煤器入口流速分布不均，且局部流速過高，超過設計值，使得部分假管和管道吹損嚴重。

提出四種改進方案，均能有效降低低低溫省煤器入口煙氣最高流速。但就均勻性來說，方案一并未使出口煙氣速度分布與原導流板設置方案比更加均勻，而后三種方案均能使出口煙氣流速更加均勻，其中，方案二的改進效果最明顯，同時，方案二較方案三、四來說更容易實施，結合煙氣最高流速綜合比較，方案二為最優(yōu)方案。