張 銳

（福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建龍巖 364000）

0 引言

隨著我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，對(duì)氮氧化物、粉塵排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)電廠、鋼鐵廠現(xiàn)有大氣環(huán)保設(shè)備的升級(jí)、改造成為一個(gè)必然的趨勢(shì)。許多升級(jí)改造項(xiàng)目需根據(jù)現(xiàn)有煙道進(jìn)行改造，布置煙道較復(fù)雜，導(dǎo)致改造后運(yùn)行阻力變大，增加運(yùn)行電耗。

1 改造背景

受前期建設(shè)總平規(guī)劃的場(chǎng)地限制，舊廠改造容易出現(xiàn)復(fù)雜連續(xù)多彎頭煙道。對(duì)于整體設(shè)備而言，煙道的復(fù)雜走向帶來(lái)的復(fù)雜氣流會(huì)引起以下兩方面的不利：對(duì)于除塵器，氣流在電廠內(nèi)分布狀態(tài)不均勻時(shí)，氣流呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，從而導(dǎo)致電廠內(nèi)出現(xiàn)渦流和氣流偏離造成的沖擊，導(dǎo)致除塵器效率下降；對(duì)于其他煙道，除塵器的多彎煙道會(huì)造成系統(tǒng)阻力的增大，從而提高引風(fēng)機(jī)的能耗，不僅增加了投資，也提高了運(yùn)行費(fèi)用。

目前，針對(duì)于此類(lèi)煙風(fēng)管道的流體力學(xué)研究分析手段分為理論經(jīng)驗(yàn)分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算3 種。而這3 種方法組成了研究流體流動(dòng)問(wèn)題的完整體系。對(duì)于多彎頭煙道，由于煙道內(nèi)部構(gòu)件并不復(fù)雜，采用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，既可以得出系統(tǒng)阻力值的所需數(shù)據(jù)，又避免了不必要的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母咄度耄潜容^經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。

本文基于常見(jiàn)的復(fù)雜改造煙道布置，模擬一個(gè)較典型的方案進(jìn)行氣流優(yōu)化選型，對(duì)導(dǎo)流板設(shè)置層數(shù)與阻力對(duì)比做定量分析，再輔以因素評(píng)分法進(jìn)行綜合必選分析，對(duì)最佳的導(dǎo)流裝置設(shè)置方式進(jìn)行定性分析，給煙道改造方案必選提供一個(gè)較合理的分析必選范圍。

2 復(fù)雜煙道結(jié)構(gòu)分析計(jì)算及優(yōu)化

2.1 幾何模型

模擬煙風(fēng)管道由于改造后場(chǎng)地不足，需2 臺(tái)主機(jī)煙道分別進(jìn)氣合并，2 個(gè)風(fēng)機(jī)出口煙道由2 段矩形煙道沿中心軸180°布置。每個(gè)煙道入口經(jīng)過(guò)2 個(gè)轉(zhuǎn)彎和匯流彎合并進(jìn)入后端設(shè)備。對(duì)2 個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)彎的煙道進(jìn)行獨(dú)立小部分分析，確定導(dǎo)葉設(shè)置的效果。圖1 為煙道幾何模型，煙氣經(jīng)A、B 兩段煙道進(jìn)入?yún)R流煙道。由于改造中場(chǎng)地的限制，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)煙道急彎，因此對(duì)煙道整體阻力及氣流均勻性造成很大影響。

圖1 煙道幾何模型

由于存在連續(xù)2 個(gè)90°方截面彎頭的影響，該段煙道內(nèi)氣流流動(dòng)狀況非常不均勻，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增大。擬在2 個(gè)90°方截面彎頭處布置導(dǎo)流板，以便調(diào)整煙道內(nèi)氣流分布的均勻性，并做好氣流的阻力分析，驗(yàn)證導(dǎo)流板的可行性，在匯合煙道設(shè)置防煙氣對(duì)沖擋板，防止煙氣對(duì)沖增加阻力。

根據(jù)DL/T 5121—2000《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于矩形煙風(fēng)道急轉(zhuǎn)彎頭的相關(guān)選型進(jìn)行導(dǎo)流板間距等參數(shù)的方案預(yù)選，輔以流體分析。經(jīng)過(guò)對(duì)8 種導(dǎo)流板設(shè)置方案的計(jì)算模擬，最終必選出4 種模型進(jìn)行阻力及重量的綜合分析，其中導(dǎo)流板厚度為5 mm。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定

對(duì)整個(gè)煙道網(wǎng)格模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，規(guī)則的體采用六面體網(wǎng)格劃分，不規(guī)則的體采用四面體網(wǎng)格或者混合型網(wǎng)格劃分。針對(duì)導(dǎo)流板部分，由于導(dǎo)流板的尺寸小，在網(wǎng)格劃分上采用了加密型網(wǎng)格，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性?？刂品匠踢x用方面：應(yīng)用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)能守恒方程、標(biāo)準(zhǔn)k—ξ 湍流模型方程。

按設(shè)計(jì)標(biāo)煤煙氣量進(jìn)行數(shù)值模擬，邊界條件設(shè)置如下：

（1）采用速度進(jìn)口邊界條件，氣流均勻垂直流入，流速為13.12 m/s。

（2）煙道出口邊界條件采用壓力出口，出口壓力設(shè)置為0。

（3）導(dǎo)流板采用Wall 設(shè)置，板表面默認(rèn)為非滑動(dòng)邊界條件。

（4）垂直方向重力加速度為-9.81 m/s2。

2.3 數(shù)據(jù)后處理

如圖1 所示，除塵器出口煙道整體分析結(jié)果為入口A、B 匯合后流速增大，進(jìn)入主煙道后，由于煙道進(jìn)一步縮小，流速變大。進(jìn)一步對(duì)單煙道A 做出口壓力流線分析，得出流速分布如圖2 所示。

圖2 A 煙道流速分布

以此流體分析的方法，分別得出無(wú)導(dǎo)流板、單層導(dǎo)流板、3 層導(dǎo)流板、多層導(dǎo)流板等多種方案的阻力分布。阻力值分布見(jiàn)表1。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)導(dǎo)流板阻力值 Pa

阻力值基本趨勢(shì)表現(xiàn)為：隨著導(dǎo)流板數(shù)量增加，各監(jiān)測(cè)截面的阻力逐漸減?。浑S著導(dǎo)流板的增加，阻力減小的趨勢(shì)越來(lái)越不明顯。

對(duì)于監(jiān)測(cè)口1，測(cè)量值為單段煙道的總阻力，隨著煙道導(dǎo)流板數(shù)量的增加，煙道總阻力值降低，呈現(xiàn)越來(lái)越平緩的趨勢(shì)。根據(jù)各點(diǎn)分析結(jié)果的阻力值進(jìn)行趨勢(shì)擬合，得出煙道阻力隨導(dǎo)流板層數(shù)的變化關(guān)系：P=0.375X4-6.2X3+40.575X2-127.85X+261.7。導(dǎo)流板層數(shù)—阻力趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 導(dǎo)流板層數(shù)—阻力趨勢(shì)

3 煙道因素分析法比對(duì)

根據(jù)分析結(jié)果，煙道阻力隨著導(dǎo)流板的增加而減小。同時(shí)，導(dǎo)流板的增加將帶來(lái)以下的后果：

（1）增加煙道鋼耗。導(dǎo)流板增加到一定數(shù)量后，盲目增加導(dǎo)流板對(duì)阻力的變化影響很小，僅起到優(yōu)化氣流均布的作用。除后續(xù)工藝未對(duì)氣流均布有更高的要求，否則再增加導(dǎo)流板沒(méi)有其他優(yōu)化意義。

（2）導(dǎo)流板的增加將加大施工難度，拉長(zhǎng)施工周期。由于導(dǎo)流板承受氣流沖擊，且振動(dòng)較大，大氣環(huán)保設(shè)備很多煙道都直接連接引風(fēng)機(jī)或其他重要工藝設(shè)備，如施工焊接質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，容易導(dǎo)致導(dǎo)流板振動(dòng)撕裂、整體脫落，進(jìn)而破壞后續(xù)工藝設(shè)備，故越多的導(dǎo)流板越增加后續(xù)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（3）技術(shù)升級(jí)改造項(xiàng)目大多屬于短平快要求的工程，全廠等待設(shè)備改造完成繼續(xù)生產(chǎn)，優(yōu)化煙道的導(dǎo)流板數(shù)量可縮短整個(gè)施工周期。

（4）由于導(dǎo)流板的振動(dòng)不可避免，故每次停機(jī)檢修需檢查導(dǎo)流板的振動(dòng)情況，并對(duì)所有導(dǎo)流設(shè)備進(jìn)行檢查、補(bǔ)焊。由于很多煙道均處在高空位置，且改造升級(jí)項(xiàng)目存在場(chǎng)地復(fù)雜、整體布置復(fù)雜的情況，因此，煙道導(dǎo)流板越多，檢修難度越高。

基于以上的影響因素，做因素分析法進(jìn)行模擬的煙道進(jìn)行整體性因素分析必選。由于阻力是煙道整體考慮的最重要因素，故設(shè)置此因素為重要因素，占比為70%，其余3 個(gè)條件為次要條件，分別占比10%，根據(jù)此原則進(jìn)行各項(xiàng)因素占比綜合必選。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于復(fù)雜的多彎頭煙道而言，流場(chǎng)模擬技術(shù)能夠通過(guò)導(dǎo)流板的布置改善氣流的速度場(chǎng)和氣流的分布，降低煙氣對(duì)煙道的沖刷流速，同時(shí)提高氣流的均勻性。

（2）流場(chǎng)模擬技術(shù)可以通過(guò)煙道局部阻力的測(cè)定、綜合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及物模模擬，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化系統(tǒng)阻力的作用。

（3）對(duì)于多彎頭并流煙道，如后續(xù)對(duì)氣流均布性無(wú)特別性要求，導(dǎo)流板設(shè)置5～8 層，對(duì)于煙道整體性能最優(yōu)，其阻力的優(yōu)化空間已不大，且可整體降低后續(xù)施工、檢修的工作量及難度，特別適合改造項(xiàng)目中場(chǎng)地復(fù)雜、要求施工周期短的項(xiàng)目。