肖記軍 溫小萍

摘? 要：針對(duì)300MW電站鍋爐低溫省煤器煙氣入口及本體進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，獲得了低溫省煤器內(nèi)部三維壓力場和速度場分布，分析了煙道變徑入口處分流擋板的分流效果，并對(duì)其煙氣入口分流擋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)而獲得流量更加均勻的煙氣入口流場。研究結(jié)果表明，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的低溫省煤器煙道變徑入口分流均布效果可以獲得顯著提升。

關(guān)鍵詞：低溫省煤器;流場;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TM621? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0083-02

近年來，由于我國煤炭資源的逐漸枯竭，許多電廠為了合理利用鍋爐的煙氣余熱，進(jìn)而提高機(jī)組效率，降低發(fā)電煤耗率，陸續(xù)針對(duì)鍋爐尾部受熱面進(jìn)行優(yōu)化改造。實(shí)踐結(jié)果表明[1-3]，對(duì)鍋爐加裝低溫省煤器系統(tǒng)，可以有效降低發(fā)電煤耗率，提高火電廠鍋爐熱效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。然而，實(shí)際煙氣進(jìn)入低溫省煤器時(shí)往往存在流場分布不均勻，容易造成低溫省煤器換熱效率降低或局部磨損等問題[4-5]，難以達(dá)到理想的應(yīng)用效果。

本文針對(duì)某300MW電站鍋爐低溫省煤器進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，以獲得低溫省煤器入口煙道、分流擋板及內(nèi)部的三維壓力場和速度場分布，通過改變低溫省煤器變徑入口處分流擋板的位置和結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到低溫省煤器內(nèi)部流場分布更加均勻的目的。

1 計(jì)算模型

本文模擬過程主要為：利用Pro/E軟件構(gòu)建300MW鍋爐低溫省煤器三維立體模型，導(dǎo)入Gambit前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入FLUENT軟件，設(shè)置邊界條件、基本參數(shù)及計(jì)算方法，并進(jìn)行迭代數(shù)值計(jì)算，最后將計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tecplot軟件進(jìn)行后處理。

首先利用Pro/E-5.0軟件構(gòu)建低溫省煤器1：1的三維立體模型，該模型包括變徑入口、分流擋板、換熱器外殼、防磨光管、換熱管道及翅片。為了獲得準(zhǔn)確的煙道變徑入口的實(shí)際流場分布，在變徑入口前端加設(shè)10m長度的煙道，整體三維模型如圖1所示。將三維模型轉(zhuǎn)化成.stp格式，導(dǎo)入Gambit-2.4前處理軟件并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了捕捉精細(xì)的湍流特征，在省煤器變徑入口、換熱管道及翅片附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)量約340萬左右。

2 邊界條件與求解方法

將三維模型導(dǎo)入FLUENT6.3軟件，設(shè)置流動(dòng)邊界條件。根據(jù)300MW負(fù)荷工況條件下的煙氣流量和煙道截面積，設(shè)置煙道進(jìn)口流速為13.05m/s，低溫省煤器出口的壓力設(shè)置為-9000Pa，其余面均設(shè)為無滑移壁面。湍流模型采用k-ε雙方程。

數(shù)值求解是利用FLUENT的CFD求解器實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用有限容積法離散控制方程，空間離散采用一階迎風(fēng)格式，利用SIMPLE算法對(duì)速度和壓力耦合方程組進(jìn)行解耦?？刂品匠讨械馁|(zhì)量方程、動(dòng)量方程、湍流k-ε雙方程的殘差均為1×10-3。

3 模擬結(jié)果與優(yōu)化

圖2表示低溫省煤器煙道變徑入口處的壓力和速度分布。

由圖2看出，在低溫省煤器變徑入口處的壓力分布都不均勻，呈現(xiàn)如下特征：（1）壓力高的區(qū)域速度低;（2）中間速度比兩側(cè)高，原因是管道中心流速更高;（3）下側(cè)速度比上側(cè)高，其原因一方面與煙氣流動(dòng)慣性有關(guān)，另一方面下側(cè)煙氣通道為直通道，其煙氣流動(dòng)阻力更小。

分析上述流場特征可知，低溫省煤器煙氣入口處的流場分布明顯不均勻。為驗(yàn)證流場不均勻性，得到由分流擋板分割的6個(gè)進(jìn)口的煙氣流量，本文利用FLUENT的流量積分功能計(jì)算出各區(qū)的煙氣質(zhì)量流量。經(jīng)過比較可以得出，6個(gè)進(jìn)口煙氣流量的均方差為3.333207，其中進(jìn)口2區(qū)和5區(qū)的煙氣流量高于平均流量，應(yīng)減小通流面積;進(jìn)口1區(qū)、3區(qū)、4區(qū)及6區(qū)的煙氣流量低于平均流量，應(yīng)增大通流面積。

為了優(yōu)化流場均勻性，假設(shè)各區(qū)平均流速不變，煙氣流量與流通面積成正比，因此可以根據(jù)模擬得到的6個(gè)進(jìn)口區(qū)（進(jìn)口1區(qū)～6區(qū)）煙氣質(zhì)量流量，調(diào)整6個(gè)進(jìn)口區(qū)的面積，從而達(dá)到進(jìn)口煙氣流場均布的優(yōu)化目的。原6個(gè)進(jìn)口區(qū)是按照面積相等劃分的，橫向分流擋板位于中心，兩塊縱向分流擋板距離中心均為478mm。變徑入口優(yōu)化方案如圖3所示，即在進(jìn)口截面上，橫向分流擋板向下移動(dòng)90mm，兩塊縱向擋板向中心移動(dòng)60mm（距離中心478mm變?yōu)?18mm）。

在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行流場數(shù)值模擬，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后變徑入口處的壓力和速度分布如圖4所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后的壓力、速度分布規(guī)律基本不變，即壓力高的區(qū)域速度低、中間速度比兩側(cè)高，下側(cè)速度比上側(cè)高，但最大速度16m/s升至17m/s，存在小幅度的上升。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后再計(jì)算各個(gè)進(jìn)口區(qū)（進(jìn)口1區(qū)～6區(qū)）煙氣質(zhì)量流量。可以得到，6個(gè)進(jìn)口煙氣流量的均方差由原來的3.333207降為0.578317，最大值與最小值之差由原來的8.001902降為1.432708。由此可見，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的變徑入口分流均布效果獲得顯著提升。

4 結(jié)論

（1）建立了300MW電站鍋爐低溫省煤器煙氣入口及本體三維立體模型，通過數(shù)值模擬獲得了低溫省煤器內(nèi)部三維壓力場和速度場分布，分析了煙道變徑入口處分流擋板的分流效果。

（2）通過對(duì)低溫省煤器煙氣入口分流擋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得了流量更加均勻的煙氣入口流場，該方法對(duì)解決低溫省煤器換熱效率較低和局部磨損等問題具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁鵬.低溫省煤器的原理研究及設(shè)計(jì)[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2016，3（3）：406-408.

[2]張方煒.鍋爐煙氣余熱利用研究[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2010（8）：48-52.

[3]周武，向朝晟，李鍵.火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱回收利用技術(shù)[J].東方電氣評(píng)論，2012，26（101）：46-50.

[4]寧玉琴，孫少鵬，田鑫，等.燃煤機(jī)組煙氣余熱回收系統(tǒng)的影響因素分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].熱力發(fā)電，2015，44（9）：76-80.

[5]劉鶴忠，連正權(quán).低溫省煤器在火力發(fā)電廠中的運(yùn)行探討[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2010（4）：32-38.