引風機后匯流煙道的數值模擬

康振興，邵杰，李國堂

(國核電力規劃設計研究院，北京市，100094)

0 引言

新疆某電廠2×1 000 MW機組，每臺爐設2臺軸流引風機。引風機采用縱向對稱布置，煙氣出口相對，煙氣自引風機引出，匯流后進入濕法脫硫吸收塔。整體結構布置緊湊，節省了主煙道，但由于2股自引風機引出的煙氣成對沖形式，如果引風機出口煙道布置不合理，將會提高2臺引風機并聯運行的難度;如果控制不當，甚至會出現“搶風”［1］。同時，匯流處的煙氣流場紊亂，一方面會增加流動阻力，另一方面紊亂的煙氣進入脫硫吸收塔后，也會降低脫硫效率［2］。

目前煙道的結構優化較為常用的研究方法是計算流體動力學(conputational fluid dynamics，CFD)方法［3-4］。通過采用CFD方法可優化電除塵器前煙道的結構，比如增加煙氣入口導流板以及氣流擋板等，以便得到更均勻的分布流場，為煙道的優化設計提供可靠依據，極大地節省設計時間及費用［5-6］。

本文應用CFD軟件Fluent，對該電廠引風機后煙道進行了數值分析，并根據分析結果得到了使引風機出口流場均勻的煙道結構。這樣的數值分析用于指導煙道的設計工作，可以使設計后的煙道系統更有助于電廠的穩定運行，同時這種利用數值計算指導設計工作的方法，也將有助于提高工程設計的水平。

1 引風機后煙道流場的數值模擬

本文按照新疆某電廠除塵器前煙道的實際尺寸，在Gambit軟件中建立了計算的幾何模型，如圖1所示。

圖1 引風機后煙道的三維計算模型Fig.1 Three-dimensional model of flue behind IDF

使用三維非結構化網格對全流道進行網格劃分。劃分后的網格數為135萬個。

解算器采用Fluent求解不可壓縮N-S方程，湍流模型采用的是RNG k-ε模型。RNG k-ε模型來源于嚴格的統計技術，它改善了標準k-ε模型的精度，同時RNG k-ε模型提供了一個考慮低雷諾數的解析公式，更加適合模擬二次流、近壁區的渦流等復雜流動，因此引風機后煙道的湍流模型選擇RNG k-ε模型［7-8］。壁面采用標準壁面函數進行處理。控制方程如下:

連續方程

動量方程

式中:u為流速，m/s;p為壓力，Pa;ρ為煙氣密度，kg/m3;k為湍動能，m2/s2;ε為湍動能耗散，m2/s3;p*為時均壓力，Pa;μeff為有效粘性系數，μeff= μ +μt;μ為分子粘性系數;μt為渦粘度，μt= ρcμk2/ε;ω為湍流耗散率生成項，kg/(m2·s);i，j，k表示坐標的 3 個方向。

湍動能和湍流耗散方程

式中:Sij為變形率張量。

式(4)中的附加項為

式中:η =Sk/ε;ηo取4.38;Cμ取0.084 5;β取0.012;C1ε取0.42;C2ε取1.68;αk取1.0;αε取0.769。

應用有限體積法對控制方程進行離散，變量存儲在控制體中心。在差分格式中，壓力項采用了二階中心差分格式，速度項采用二階迎風差分格式，湍動能項和湍動能耗散率項也采用二階迎風差分格式。

采用Simplec算法，實現壓力和速度的耦合求解。在迭代計算時，應用亞松弛迭代。計算的流體工質為空氣，計算工況為鍋爐最大連續處理(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況，根據該工程燃燒制粉系統計算，設定邊界條件如下:

(1)進口給定第一類邊界條件。在煙道進口面處，根據流量給定進口速度大小，方向設為垂直于進口面。

(2)出口給定第二類邊界條件。出口面設為自由出流面。

(3)流道各個壁面處給定第一類邊界條件。固壁面采用無滑移邊界條件。

(4)在開始計算時給定進口壓力、速度和湍動能、湍流頻率等參數的初值，其他參數采用第二類邊界條件。為了保證計算的穩定性，在一個內點給定一個參考壓力。

2 結果分析

通過Fluent的求解，可以得到在設計的煙道結構內，煙氣的壓力、速度分布。為了展示計算結果，對煙道進行切片處理，圖2為計算區域中間截面的速度分布結果。

圖2 速度分布結果Fig.2 Velocity distribution results

由圖2可知，在不加任何優化措施的情況下，引風機出口匯流煙道出現了無規律的紊流，氣流的高速區偏向于煙道內側彎角流動，并在匯流后的區域形成了渦流，這樣的煙氣流動無疑對風機的運行是不利的。

較常規的煙道流動處理方式是在煙道內部添加導流板。根據DL/T 5121—2000《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》［9］，在煙道內添加導流板，并根據工程經驗在適當的位置設置氣流擋板。經反復計算改進，得到符合設計要求的煙道結構。重新建立計算模型，如圖3所示。

圖4為通過加設導流板后的匯流煙道的速度場分布圖和速度矢量圖。

由圖4可知，添加導流板后，一方面對煙道流場的壓力分布具有較好的均布作用，另一方面也避免了2股煙氣的直接對沖。同時，有統計數據表明:在流量相等的情況下，該段區域煙道在增加導流板后，煙道的壓力損失并未增加，反而減少4.6%，這說明原煙氣煙道的渦流確實增加了煙道內的沿程阻力。

圖5 煙道特性曲線與并聯風機運行Fig.5 Flue characteristic curve with IDF parallel operation

將優化前后煙道的H-Q特性曲線與引風機并聯運行曲線相疊加，結果如圖5所示。風機運行曲線與煙道特性曲線的交點即為風機的運行工況，∞區域為風機并聯運行時，容易出現“搶風”的區域，可見優化前的煙道與優化后煙道相比，在相同煙氣流量的情況下，需要風機付出更大的壓頭，此時，風機更容易接近于∞區域，給風機的運行帶來危害。

3 結語

風機出口匯流煙氣的不穩定流動會影響氣流脈動頻率［10］，進而增加煙道系統振動的概率;渦流引起的壓力損失將會提高引風機的出力;而當風機并聯運行時，穩定的煙氣流動將會改變煙道特性曲線，進而促進風機并聯運行的穩定性。同時，由于目前火電工程對主廠房占地面積較為重視，引風機布置也相應的采用了縱向對稱布置，取消了主煙道，這使引風機出口至脫硫吸收塔的距離大大縮短，如果由于煙氣流動不穩定過大，也將會增加煙氣在吸收塔內的阻力。通過CFD方法進行設計優化煙道，在煙道適當位置設置導流板，一方面可以減少煙道內煙氣流動的3% ～5%的沿程阻力損失，另一方面還可以提高引風機可靠運行的控制裕度，是促進火電廠可靠運行的有效手段。

［1］華東六省一市電機工程(電力)學會.鍋爐設備及其系統［M］.北京:中國電力出版社，2006:359-360.

［2］楊振利.無GGH-FGD“濕煙囪”降雨問題分析［J］.電力設備，2008，12(9):55-57.

［3］李偉科.華能海門電廠1 000 MW機組電除塵器進、出口煙道的優化設計［J］.電力建設，2009，30(7):55-57.

［4］周志明，樊衛國，董立春.選擇性催化還原脫硝系統煙道中導流板設計數值模擬［J］.重慶大學學報，2009，32(10):1187-1192.

［5］沈強，王文勇，楊晶.Fluent軟件在布袋除塵器中的應用［J］.工業安全與環保，2007，33(7):25-26.

［6］王有鋒，姜武，張輝，等.電廠煙風道異形件阻力系數的數值計算方法［J］.電力科學與工程，2006(3):47-49.

［7］王佳茗，閻維平，李學顏，等.基于CFD數值計算的中速磨煤機進口風量測點選擇［J］.電力建設，2011，32(1):1-4.

［8］帕坦卡.傳熱與流體流動的數值計算［M］.北京:科學出版社，1984:130-157.

［9］DL/T 5121—2000火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［10］DL/T 5240—2010火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2012.