引風(fēng)機(jī)后匯流煙道的數(shù)值模擬

康振興，邵杰，李國(guó)堂

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市，100094)

0 引言

新疆某電廠2×1 000 MW機(jī)組，每臺(tái)爐設(shè)2臺(tái)軸流引風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)采用縱向?qū)ΨQ布置，煙氣出口相對(duì)，煙氣自引風(fēng)機(jī)引出，匯流后進(jìn)入濕法脫硫吸收塔。整體結(jié)構(gòu)布置緊湊，節(jié)省了主煙道，但由于2股自引風(fēng)機(jī)引出的煙氣成對(duì)沖形式，如果引風(fēng)機(jī)出口煙道布置不合理，將會(huì)提高2臺(tái)引風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的難度;如果控制不當(dāng)，甚至?xí)霈F(xiàn)“搶風(fēng)”［1］。同時(shí)，匯流處的煙氣流場(chǎng)紊亂，一方面會(huì)增加流動(dòng)阻力，另一方面紊亂的煙氣進(jìn)入脫硫吸收塔后，也會(huì)降低脫硫效率［2］。

目前煙道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化較為常用的研究方法是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(conputational fluid dynamics，CFD)方法［3-4］。通過(guò)采用CFD方法可優(yōu)化電除塵器前煙道的結(jié)構(gòu)，比如增加煙氣入口導(dǎo)流板以及氣流擋板等，以便得到更均勻的分布流場(chǎng)，為煙道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，極大地節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間及費(fèi)用［5-6］。

本文應(yīng)用CFD軟件Fluent，對(duì)該電廠引風(fēng)機(jī)后煙道進(jìn)行了數(shù)值分析，并根據(jù)分析結(jié)果得到了使引風(fēng)機(jī)出口流場(chǎng)均勻的煙道結(jié)構(gòu)。這樣的數(shù)值分析用于指導(dǎo)煙道的設(shè)計(jì)工作，可以使設(shè)計(jì)后的煙道系統(tǒng)更有助于電廠的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)這種利用數(shù)值計(jì)算指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的方法，也將有助于提高工程設(shè)計(jì)的水平。

1 引風(fēng)機(jī)后煙道流場(chǎng)的數(shù)值模擬

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

圖1 引風(fēng)機(jī)后煙道的三維計(jì)算模型Fig.1 Three-dimensional model of flue behind IDF

使用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)全流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后的網(wǎng)格數(shù)為135萬(wàn)個(gè)。

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(lái)源于嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，它改善了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的精度，同時(shí)RNG k-ε模型提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)的解析公式，更加適合模擬二次流、近壁區(qū)的渦流等復(fù)雜流動(dòng)，因此引風(fēng)機(jī)后煙道的湍流模型選擇RNG k-ε模型［7-8］。壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。控制方程如下:

連續(xù)方程

動(dòng)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(dòng)能，m2/s2;ε為湍動(dòng)能耗散，m2/s3;p*為時(shí)均壓力，Pa;μeff為有效粘性系數(shù)，μeff= μ +μt;μ為分子粘性系數(shù);μt為渦粘度，μt= ρcμk2/ε;ω為湍流耗散率生成項(xiàng)，kg/(m2·s);i，j，k表示坐標(biāo)的 3 個(gè)方向。

湍動(dòng)能和湍流耗散方程

式中:Sij為變形率張量。

式(4)中的附加項(xiàng)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(yīng)用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，變量存儲(chǔ)在控制體中心。在差分格式中，壓力項(xiàng)采用了二階中心差分格式，速度項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式，湍動(dòng)能項(xiàng)和湍動(dòng)能耗散率項(xiàng)也采用二階迎風(fēng)差分格式。

采用Simplec算法，實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合求解。在迭代計(jì)算時(shí)，應(yīng)用亞松弛迭代。計(jì)算的流體工質(zhì)為空氣，計(jì)算工況為鍋爐最大連續(xù)處理(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況，根據(jù)該工程燃燒制粉系統(tǒng)計(jì)算，設(shè)定邊界條件如下:

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

(2)出口給定第二類邊界條件。出口面設(shè)為自由出流面。

(3)流道各個(gè)壁面處給定第一類邊界條件。固壁面采用無(wú)滑移邊界條件。

(4)在開(kāi)始計(jì)算時(shí)給定進(jìn)口壓力、速度和湍動(dòng)能、湍流頻率等參數(shù)的初值，其他參數(shù)采用第二類邊界條件。為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性，在一個(gè)內(nèi)點(diǎn)給定一個(gè)參考?jí)毫Α?/p>

2 結(jié)果分析

通過(guò)Fluent的求解，可以得到在設(shè)計(jì)的煙道結(jié)構(gòu)內(nèi)，煙氣的壓力、速度分布。為了展示計(jì)算結(jié)果，對(duì)煙道進(jìn)行切片處理，圖2為計(jì)算區(qū)域中間截面的速度分布結(jié)果。

圖2 速度分布結(jié)果Fig.2 Velocity distribution results

由圖2可知，在不加任何優(yōu)化措施的情況下，引風(fēng)機(jī)出口匯流煙道出現(xiàn)了無(wú)規(guī)律的紊流，氣流的高速區(qū)偏向于煙道內(nèi)側(cè)彎角流動(dòng)，并在匯流后的區(qū)域形成了渦流，這樣的煙氣流動(dòng)無(wú)疑對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行是不利的。

較常規(guī)的煙道流動(dòng)處理方式是在煙道內(nèi)部添加導(dǎo)流板。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》［9］，在煙道內(nèi)添加導(dǎo)流板，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置氣流擋板。經(jīng)反復(fù)計(jì)算改進(jìn)，得到符合設(shè)計(jì)要求的煙道結(jié)構(gòu)。重新建立計(jì)算模型，如圖3所示。

圖4為通過(guò)加設(shè)導(dǎo)流板后的匯流煙道的速度場(chǎng)分布圖和速度矢量圖。

由圖4可知，添加導(dǎo)流板后，一方面對(duì)煙道流場(chǎng)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(duì)沖。同時(shí)，有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:在流量相等的情況下，該段區(qū)域煙道在增加導(dǎo)流板后，煙道的壓力損失并未增加，反而減少4.6%，這說(shuō)明原煙氣煙道的渦流確實(shí)增加了煙道內(nèi)的沿程阻力。

圖5 煙道特性曲線與并聯(lián)風(fēng)機(jī)運(yùn)行Fig.5 Flue characteristic curve with IDF parallel operation

將優(yōu)化前后煙道的H-Q特性曲線與引風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行曲線相疊加，結(jié)果如圖5所示。風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線與煙道特性曲線的交點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況，∞區(qū)域?yàn)轱L(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，容易出現(xiàn)“搶風(fēng)”的區(qū)域，可見(jiàn)優(yōu)化前的煙道與優(yōu)化后煙道相比，在相同煙氣流量的情況下，需要風(fēng)機(jī)付出更大的壓頭，此時(shí)，風(fēng)機(jī)更容易接近于∞區(qū)域，給風(fēng)機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)危害。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)出口匯流煙氣的不穩(wěn)定流動(dòng)會(huì)影響氣流脈動(dòng)頻率［10］，進(jìn)而增加煙道系統(tǒng)振動(dòng)的概率;渦流引起的壓力損失將會(huì)提高引風(fēng)機(jī)的出力;而當(dāng)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定的煙氣流動(dòng)將會(huì)改變煙道特性曲線，進(jìn)而促進(jìn)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于目前火電工程對(duì)主廠房占地面積較為重視，引風(fēng)機(jī)布置也相應(yīng)的采用了縱向?qū)ΨQ布置，取消了主煙道，這使引風(fēng)機(jī)出口至脫硫吸收塔的距離大大縮短，如果由于煙氣流動(dòng)不穩(wěn)定過(guò)大，也將會(huì)增加煙氣在吸收塔內(nèi)的阻力。通過(guò)CFD方法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化煙道，在煙道適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)流板，一方面可以減少煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)的3% ～5%的沿程阻力損失，另一方面還可以提高引風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的控制裕度，是促進(jìn)火電廠可靠運(yùn)行的有效手段。

［1］華東六省一市電機(jī)工程(電力)學(xué)會(huì).鍋爐設(shè)備及其系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006:359-360.

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

［3］李偉科.華能海門(mén)電廠1 000 MW機(jī)組電除塵器進(jìn)、出口煙道的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電力建設(shè)，2009，30(7):55-57.

［4］周志明，樊衛(wèi)國(guó)，董立春.選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)煙道中導(dǎo)流板設(shè)計(jì)數(shù)值模擬［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(10):1187-1192.

［5］沈強(qiáng)，王文勇，楊晶.Fluent軟件在布袋除塵器中的應(yīng)用［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(7):25-26.

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

［7］王佳茗，閻維平，李學(xué)顏，等.基于CFD數(shù)值計(jì)算的中速磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)量測(cè)點(diǎn)選擇［J］.電力建設(shè)，2011，32(1):1-4.

［8］帕坦卡.傳熱與流體流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算［M］.北京:科學(xué)出版社，1984:130-157.

［9］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［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2000.

［10］DL/T 5240—2010火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2012.