裴東旭

摘要：本文針對某火電廠燃煤鍋爐機(jī)組的脫硫、超低排改造后，出現(xiàn)的煙道內(nèi)部流動阻力過大，直角彎道導(dǎo)流板破損的情況，對空預(yù)器入口的煙道的導(dǎo)流板阻力特性進(jìn)行研究。首先，通過理論分析煙道流動阻力的規(guī)律及煙道流動阻力的計算方法。針對目標(biāo)煙道段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過對比不同設(shè)計方案的導(dǎo)流板應(yīng)力用變情況，得出一種較優(yōu)的直角煙道優(yōu)化方案，對同類型煙道系統(tǒng)的優(yōu)化改造提供了一定的指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：CFD ?流場分析 直角煙道 導(dǎo)流板

Research on Optimization of Right-Angle Flue Based on CFD Flow Field Analysis

PEI ?Dongxu

（Inner Mongolia Datang International Tuoketuo Power Generation Co. Ltd.， Hohhot， Inner Mongolia， 010206 China）

Abstract： In view of the excessive flow resistance in the flue and the damage of the deflector in the right angle bend after the desulfurization and ultra-low emission transformation of a coal-fired boiler unit in a thermal power plant， the resistance characteristics of the deflector in the flue at the inlet of the air preheater are studied in this paper. First， analyze the law of flue flow resistance and the calculation method of flue flow resistance through theory. According to the optimized design of the target flue section， by comparing the resistance reduction effects of different design schemes， a better right-angle flue optimization scheme is obtained， which provides certain guidance and reference for the optimization and transformation of the same type of flue system.

Key Words： CFD; Flow field analysis; Right-angle flue;Deflector

我國前期投產(chǎn)的火力發(fā)電廠燃煤發(fā)電機(jī)組在初期設(shè)計的時候，未考慮鍋爐煙道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)降阻和導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計，在整個煙道系統(tǒng)中，存在很多直角彎頭管段和T型管道管段，而且其內(nèi)部的導(dǎo)流板布置較為簡單，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行過程中煙道氣流動阻力較大，對直角彎頭和T形管道內(nèi)部的導(dǎo)流板造成較大的擾動，長期運(yùn)行容易導(dǎo)致導(dǎo)流板局部磨損過大，出現(xiàn)掉落失效，嚴(yán)重時可造成停爐風(fēng)險[1] [2]。而近些年進(jìn)行的燃煤鍋爐機(jī)組超低排放改造，導(dǎo)致原有的管道系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，雖然在直角彎頭和異型管件中進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但煙道系統(tǒng)的阻力仍然較大，存在很大的優(yōu)化空間。

針對目前國內(nèi)燃煤機(jī)組煙道系統(tǒng)局部阻力較大的現(xiàn)狀，進(jìn)行局部煙道內(nèi)部導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的需求是十分迫切的，這不僅可以提高電廠燃煤機(jī)組煙道系統(tǒng)的局部管件阻力狀態(tài)，降低大修和停爐風(fēng)險，也對國內(nèi)同類型局部管件的優(yōu)化提供了一個研究方向。

1煙道流動阻力的計算方法

燃煤電廠煙道中的煙氣流動通常被認(rèn)為是定常的、不可壓的、湍流氣固兩相流。其流動過程要遵循相應(yīng)的物理守恒定律，基本的守恒定律主要有：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律[3] [4]。但對于煙道中的不可壓流動情況，假設(shè)流動過程中交換的熱量微乎其微乃至可以忽略不計時，可以忽略能量守恒方程[5][6]。

1.1連續(xù)性方程

連續(xù)性方程也稱質(zhì)量守恒方程，煙道內(nèi)煙氣的流動過程必須滿足質(zhì)量守恒定律，即：單位時間內(nèi)煙氣流體微元中增加的質(zhì)量與同一個時間間隔內(nèi)流入該煙氣流體微元體中的凈質(zhì)量相同。

1.2 N-S方程

動量守恒定律可表述為：微元體中煙氣流體的動量相對于時間的變化率等于外界作用在該煙氣流體微元上的諸力之和。

2基于CFD流場分析的直角煙道的優(yōu)化

通過對某電廠空預(yù)器入口直角煙道管段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行建模及數(shù)值模擬分析，設(shè)置煙氣溫度、煙氣流速、彈性模量、泊松比、密度等相關(guān)參數(shù)。原始直角煙道內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)變狀態(tài)如下圖1所示。

由應(yīng)變結(jié)果可以看出，風(fēng)管的直角彎道處，中間導(dǎo)流板的受力最大，其中以導(dǎo)流板入口和出口處的中間位置產(chǎn)生的變形最大，最大變形達(dá)到5.24mm，查看最大應(yīng)力達(dá)到17.738MPa。

根據(jù)現(xiàn)有直角彎道處導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬仿真結(jié)果以及國內(nèi)外相關(guān)的論文研究成果，選取兩個優(yōu)化方向進(jìn)行研究，一是取消現(xiàn)有圓管焊接導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，因初期分析現(xiàn)有導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)是，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板前端圓管處會形成大量渦流，而渦流會對導(dǎo)流板造成較大的擾動，造成局部磨損和沖擊，導(dǎo)致局部導(dǎo)流板脫落，同時調(diào)整導(dǎo)流板出口板傾斜與外壁一致以及在導(dǎo)流板入口方向增加直線段，優(yōu)化流體運(yùn)行狀態(tài);二是同樣取消現(xiàn)有的圓管焊接導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，同時依據(jù)現(xiàn)有的仿真模擬結(jié)果可以看出，直角彎道處的導(dǎo)流板其中間位置受力情況最差，考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，增加一個中間加強(qiáng)板提升局部強(qiáng)度。通過對上述兩種優(yōu)化思路進(jìn)行仿真模擬分析，得出相應(yīng)的直角煙道內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)如下圖3所示。其中圖片上部兩個為優(yōu)化方案一的導(dǎo)流板應(yīng)力和應(yīng)變分布圖，圖片下部兩個為優(yōu)化方案的導(dǎo)流板應(yīng)力和應(yīng)變分布圖。

從數(shù)值模擬仿真結(jié)果可以看出，對于優(yōu)化方案一，由于直角彎道處導(dǎo)流板前端增加直線段，導(dǎo)流板受煙道氣流動擾動更為劇烈，導(dǎo)流板中間位置受力情況更差，導(dǎo)流板的中間結(jié)構(gòu)部分最大應(yīng)力由17.728MPa提高至26.388MPa，應(yīng)變由5.24mm提高至10.398mm，結(jié)構(gòu)狀態(tài)下降嚴(yán)重，優(yōu)化方向不理想。對于優(yōu)化方案二，增加中間加強(qiáng)板厚，直角彎道處導(dǎo)流板中間部分最大應(yīng)變相比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)由5.24mm降低為0.55mm，最大應(yīng)力由17.728MPa降低為7.91MPa，導(dǎo)流板的力學(xué)狀態(tài)得到大幅提升，優(yōu)化結(jié)果達(dá)到預(yù)期。

4結(jié)語

本文首先通過理論分析煙道流動阻力的規(guī)律及煙道流動阻力的計算方法。其次針對某電廠目標(biāo)煙道段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對比不同設(shè)計方案的內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)，得出一種較優(yōu)的直角煙道優(yōu)化方案，對國內(nèi)火電機(jī)組同類型煙道系統(tǒng)的優(yōu)化改造及節(jié)能減排工作具有重要的指導(dǎo)與借鑒意義。

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