沈小虎

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010206）

某電廠前期投產(chǎn)的燃煤發(fā)電機(jī)組的鍋爐煙道系統(tǒng)煙氣流動(dòng)阻力大，而近年來(lái)鍋爐機(jī)組的超低排放改造，使煙道系統(tǒng)的布置發(fā)生了較大的變化，并且增加了部分煙道彎頭，這不僅增加了鍋爐機(jī)組煙道系統(tǒng)的阻力，增加了引風(fēng)機(jī)電耗，還因煙氣流場(chǎng)不均嚴(yán)重影響除塵器的除塵效率與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，甚至導(dǎo)致運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重的局部磨損等問(wèn)題[1]。本文針對(duì)燃煤鍋爐機(jī)組進(jìn)行脫硫、超低排改造后，出現(xiàn)煙道流動(dòng)阻力過(guò)大、直角彎道導(dǎo)流板破損的情況，對(duì)空預(yù)器入口的煙道的阻力特性進(jìn)行研究。

本研究首先通過(guò)理論分析煙道產(chǎn)生流動(dòng)阻力的機(jī)理，然后分析了在燃煤機(jī)組煙道中產(chǎn)生流動(dòng)阻力的主要原因。最后對(duì)空預(yù)器入口煙道進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，建立分析模型，為煙道的可靠性分析提供了研究手段。

1 煙道流動(dòng)阻力的基本理論

1.1 流動(dòng)阻力產(chǎn)生的機(jī)理

1.1.1 內(nèi)因

由于黏性流體分子間的吸引力，速度快的流體層會(huì)拖著速度慢的流體層運(yùn)動(dòng)。速度快的流體層中部分流體分子由于無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)入速度慢的流體層，以碰撞形式將動(dòng)量傳遞給后者，使其產(chǎn)生一個(gè)加速度。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)慢的流體層也有一定數(shù)量的流體分子進(jìn)入運(yùn)動(dòng)快的流體層，而對(duì)后者產(chǎn)生一個(gè)方向相反的加速度[2]。這種傳遞一層一層進(jìn)行，從壁面直至流體中心，可見(jiàn)流體的黏性是產(chǎn)生流體流動(dòng)阻力的內(nèi)因。

1.1.2 外因

流體只有在流過(guò)固體壁面（管壁、設(shè)備壁）或局部結(jié)構(gòu)管件時(shí)，才能促使流體內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成不同流體層間動(dòng)量的傳遞，損耗機(jī)械能[3]。因此，壁面及管道局部結(jié)構(gòu)形狀等約束條件是流體產(chǎn)生流動(dòng)阻力的外因。

1.2 影響煙道流動(dòng)阻力的因素

影響煙道流動(dòng)阻力的因素可以分為以下2類(lèi)。

1.2.1 煙氣性質(zhì)

煙氣性質(zhì)包括煙氣密度、煙氣黏度、煙氣流速等。其中煙氣密度的大小反映了單位體積內(nèi)煙氣質(zhì)量，當(dāng)不同流體層的煙氣發(fā)生動(dòng)量傳遞時(shí)，煙氣密度越大，各流體層的煙氣質(zhì)量越大，動(dòng)量傳遞越劇烈，造成更大的流動(dòng)阻力。煙氣黏度越大，煙氣與煙道壁面、不同煙氣流層間的摩擦阻力越大，流動(dòng)阻力越大。煙氣流速對(duì)煙氣的流動(dòng)阻力損失有很大的影響，由達(dá)西-維斯巴赫公式可知，煙氣的流動(dòng)阻力損失與煙氣流速的平方成正比，可見(jiàn)煙氣流速過(guò)大不利于降低煙氣流動(dòng)阻力損失。

1.2.2 煙道結(jié)構(gòu)尺寸

煙道結(jié)構(gòu)尺寸包括煙道長(zhǎng)度、煙道截面形狀、壁面粗糙度、局部件結(jié)構(gòu)尺寸等。一般情況下，煙氣的沿程阻力損失與煙道長(zhǎng)度成線性關(guān)系，煙道越長(zhǎng)，煙氣在煙道內(nèi)損失的流動(dòng)阻力越大。壁面粗糙度對(duì)煙氣的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，對(duì)于水力光滑管，靠近壁面的煙氣受到管壁的阻礙小，流動(dòng)阻力相應(yīng)要小，如果是粗糙的管壁，更多流層的煙氣會(huì)受到管壁的阻礙，造成更大的流動(dòng)阻力損失。燃煤機(jī)組鍋爐煙道系統(tǒng)采用了眾多的局部結(jié)構(gòu)件，包括大小頭、彎頭與T形管件，這些局部結(jié)構(gòu)件導(dǎo)致了煙道大部分的流動(dòng)阻力損失。對(duì)于典型的直角彎頭，與有著相同截面、相同流通長(zhǎng)度的直管道相比，其產(chǎn)生的流動(dòng)阻力損失可達(dá)到該直通道產(chǎn)生的流動(dòng)阻力損失的20～30倍。

2 煙道流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算基本理論

2.1 煙道流動(dòng)阻力的計(jì)算方法

燃煤電廠煙道中的煙氣流動(dòng)通常被認(rèn)為是定常的、不可壓的、湍流氣固兩相流。其流動(dòng)過(guò)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(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。對(duì)于燃煤鍋爐煙道中的湍流流動(dòng)，還需要遵循附加的湍流輸運(yùn)方程。

2.2 煙道流場(chǎng)的計(jì)算模型

流體力學(xué)分析軟件中提供了豐富的模型以解決多領(lǐng)域的多種問(wèn)題。對(duì)于燃煤電廠空預(yù)器入口煙道的數(shù)值模擬，所涉及到的模型主要有湍流模型、流固耦合模型。

湍流是大自然中廣泛存在的流動(dòng)現(xiàn)象，大多數(shù)工程問(wèn)題中所涉及的流體流動(dòng)均處于湍流狀態(tài)，因此湍流研究一直被研究者高度重視。湍流流動(dòng)的核心特征是其在物理上無(wú)窮多的尺度和數(shù)學(xué)上強(qiáng)烈的非線性，這就使得無(wú)論是理論分析、實(shí)驗(yàn)研究還是計(jì)算機(jī)模擬，都很難徹底認(rèn)識(shí)湍流。一般認(rèn)為，無(wú)論湍流流動(dòng)多么復(fù)雜，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)性方程和N-S方程對(duì)于湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)依然適用。

流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門(mén)力學(xué)分支，它是研究變形固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體位形對(duì)流場(chǎng)影響這二者相互作用的一門(mén)科學(xué)。流固耦合力學(xué)的重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)。變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響流體運(yùn)動(dòng)，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生形形色色的流固耦合現(xiàn)象[4-5]。

3 某電廠空預(yù)器入口煙道數(shù)值模擬分析

通過(guò)對(duì)某電廠空預(yù)器入口目標(biāo)管段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)置煙氣溫度、煙氣流速等相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)，得出目標(biāo)管段的速度分布圖、壓力分布圖以及目標(biāo)管道結(jié)構(gòu)變化情況，與實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行驗(yàn)證。

首先根據(jù)某電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的空預(yù)器入口煙道安裝情況，運(yùn)用solidworks三維建模軟件，對(duì)目標(biāo)管段進(jìn)行建模，三維模型如圖1所示。

圖1 直角彎道管段三維模型

將模型導(dǎo)入ANSYS流體力學(xué)仿真模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分及算例設(shè)置，其中菱形風(fēng)管位置入口設(shè)置為Inlet速度入口，速度設(shè)置為8.5 m/s，進(jìn)口溫度設(shè)置為150℃，直角彎道風(fēng)管出口設(shè)置為Outlet。計(jì)算完成后，進(jìn)入后處理階段，后處理即觀察模擬算例對(duì)象的流速和壓力分布，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 直角彎道管段速度分布圖

圖3 直角彎道管道壓力分布圖

在運(yùn)用ANSYS進(jìn)行流體數(shù)值模擬計(jì)算后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)置，以進(jìn)行直角彎道管段內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)分析。首先，將前部的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入，然后將計(jì)算結(jié)果傳入ANSYS靜力學(xué)計(jì)算模塊，對(duì)目標(biāo)管段做網(wǎng)格劃分及算例設(shè)置以進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變分析。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格，算例設(shè)置速度及溫度參數(shù)同流體域參數(shù)，主要定義風(fēng)管材料及導(dǎo)流板材料根據(jù)圖紙所示材料設(shè)置彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)，設(shè)置完成后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

ANSYS靜力學(xué)模塊對(duì)算例計(jì)算完成后，即可查看導(dǎo)流板的應(yīng)力及分布狀態(tài)，輸出的結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 直角彎道管段內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)變分布圖

圖5 直角彎道管段內(nèi)部中間導(dǎo)流板應(yīng)力分布圖

由應(yīng)力和應(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，最大應(yīng)力達(dá)到17.738 MPa。這與現(xiàn)場(chǎng)直角彎道處的導(dǎo)流板破損位置基本是一致的，現(xiàn)場(chǎng)直角彎道處導(dǎo)流板破損圖片如圖6所示。

圖6 某電廠現(xiàn)場(chǎng)直角彎道管道內(nèi)部磨損圖

4 結(jié)論

本文對(duì)某電廠空預(yù)器入口目標(biāo)煙道進(jìn)行研究，首先分析研究了燃煤鍋爐機(jī)組煙道產(chǎn)生流動(dòng)阻力的內(nèi)在機(jī)理，找出產(chǎn)生煙道流動(dòng)阻力損失的主要因素與變化規(guī)律，然后運(yùn)用流體力學(xué)分析軟件，通過(guò)建模以及算例設(shè)置對(duì)目標(biāo)直角煙道管段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，尤其針對(duì)目標(biāo)管段內(nèi)部導(dǎo)流板應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了分析，將仿真分析結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了結(jié)果的合理性，同時(shí)建立空預(yù)器煙道入口直角彎道數(shù)值模擬分析模型，為某電廠現(xiàn)場(chǎng)空預(yù)器入口直角彎道處的可靠性分析提供了研究方向。