燃煤電廠袋式除塵器入口煙道煙氣溫度偏差調(diào)整

黨小慶，謝照亮，胡紅勝，李倩，鄭欽臻

(西安建筑科技大學，陜西西安 710055)

燃煤電廠袋式除塵器入口煙道煙氣溫度偏差調(diào)整

黨小慶，謝照亮，胡紅勝，李倩，鄭欽臻

(西安建筑科技大學，陜西西安 710055)

應(yīng)用計算流體力學(CFD)方法對某燃煤電廠袋式除塵器入口煙道煙氣流場進行了三維數(shù)值模擬研究，分析了導致除塵器入口煙道煙氣溫度偏差的原因，主要是由于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的工作原理所致。為此，提出了減小除塵器入口煙道煙氣溫度偏差的方向及措施，為燃煤電廠除塵器入口煙道的改造、設(shè)計提供參考。

燃煤電廠;入口煙道;煙氣溫度偏差;數(shù)值模擬

0 引言

袋式除塵器具有對煙塵適應(yīng)性強、不受粉塵比電阻的影響、除塵效率高等優(yōu)點，因此在燃煤電廠逐步得到廣泛的應(yīng)用［1－3］。而袋式除塵器在大型化過程中卻顯現(xiàn)出一個新的問題——由多臺除塵器并聯(lián)組成的大型袋式除塵器其中一臺除塵器濾袋較早破損。濾袋破損的重要原因在于濾袋所處煙氣環(huán)境條件及工作狀況的變化，對一個系統(tǒng)來說，各臺除塵器的主要差別在于煙氣溫度和氣流分布［4］。根據(jù)行業(yè)標準《火力發(fā)電廠煙氣袋式除塵器選型導則》(DL/T 387－2010)，袋式除塵器在設(shè)計前應(yīng)進行氣流分布模擬試驗，保證其氣流分布的均勻性，因此在氣流分布均勻的情況下，煙氣溫度則是影響袋式除塵器濾袋壽命的主要因素。

燃煤電廠300～600MW機組鍋爐通常配2臺雙室除塵器。據(jù)報道，除塵器入口煙道之間煙氣溫度相差10～20℃，有時煙氣溫度高側(cè)甚至要高于袋式除塵主要濾料PPS(聚苯硫醚)的連續(xù)工作溫度。按照Arrhenius法則，溫度每升高10℃，化學反應(yīng)速度就會增加一倍，因此除塵器入口煙道煙氣溫度偏差使袋式除塵器濾袋壽命長短不一，影響了大型袋式除塵器的應(yīng)用。煙氣溫度偏差原本在電除塵器中也存在，但由于其對電除塵器正常運行所產(chǎn)生的影響并不明顯，因此并未引起足夠的重視，而這一問題在袋式除塵器中就顯得尤為突出。

本文采用計算流體動力(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法對300MW機組回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳熱過程及袋式除塵器入口煙道內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬試驗，并通過在空氣預(yù)熱器下方空間安裝導流板來減小除塵器入口煙道煙氣溫度偏差。

1 數(shù)值模擬

CFD方法是研究各種流體流動問題的數(shù)值分析方法。CFD采用離散化方法建立數(shù)值模型，并且通過計算機進行數(shù)值模擬和分析，得到在時間和空間上離散的數(shù)據(jù)組成的集合體，最終獲得定量描述流場的數(shù)值解。CFD方法的步驟包括7個:建立幾何模型，劃分計算網(wǎng)格，確定計算模型，定義邊界條件，給定解控方程，求解離散方程和后處理。

1.1 建立幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文旨在研究袋式除塵器入口煙道煙氣溫度偏差問題，且燃煤電廠除塵器一般置于熱交換設(shè)備空氣預(yù)熱器之后，因此模擬范圍從鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器入口斷面至除塵器喇叭入口斷面全部煙道。煙道及除塵器布置如圖1所示，鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器至2臺除塵器的煙道形狀相同，對稱布置，因此數(shù)值模擬只模擬1臺除塵器入口煙道模型(即圖1中虛線方框標示的區(qū)域)。數(shù)值模擬采用FLUENT前處理軟件GAMBIT對除塵器入口煙道進行建模。本文采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格技術(shù)，完成網(wǎng)格劃分。除塵器入口煙道網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 煙道及除塵器平面布置示意

圖2 除塵器入口煙道網(wǎng)格劃分示意

1.2 計算模型和邊界條件

計算模型選用標準k－ε方程模型，控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動能k方程及耗散率ε方程［5－6］。入口采用質(zhì)量入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件;回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器內(nèi)部波紋板，把轉(zhuǎn)子空間分割成縫隙結(jié)構(gòu)，煙氣從板間夾縫通過并與受熱面換熱，符合多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征［7］，故將轉(zhuǎn)子部分簡化為多孔介質(zhì)以模擬其內(nèi)部的流動情況和阻力特性。煙氣的物性參數(shù)(煙氣密度、動力粘度以及導熱系數(shù))隨溫度變化而變化，反過來也會影響煙氣溫度和壓力的大小，為此模型考慮了煙氣變物性對計算結(jié)果的影響。

1.3 計算方法

采用有限容積法離散控制方程，數(shù)值計算采用SMPLE算法，對流項差分格式采用二階迎風格式，近壁面處采用壁面函數(shù)法處理。

2 模擬結(jié)果與討論

圖3是300MW機組鍋爐空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子下方監(jiān)測斷面abcd(見圖2)的煙氣溫度分布圖。

如圖3所示，當回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器順時針旋轉(zhuǎn)時，其下方空間內(nèi)煙氣溫度分布不均勻，且隨著空氣預(yù)熱器的旋轉(zhuǎn)方向煙氣溫度呈逐漸增大的趨勢，與文獻［8］趨勢一致;在靠近芯軸處形成一個高溫區(qū)，煙氣溫度最大值與最小值之間相差約30℃。

圖3 監(jiān)測斷面煙氣溫度分布

圖4 A、B煙道出口斷面速度分布

根據(jù)空氣預(yù)熱器的工作原理可知［9］，當轉(zhuǎn)子從空氣側(cè)進入煙氣側(cè)時，受熱面的溫度最低，隨著煙氣對受熱面的加熱，受熱面溫度逐漸升高，因此，受熱面隨著旋轉(zhuǎn)方向吸收的熱量逐漸降低，即對煙氣的冷卻程度逐漸降低，導致空氣預(yù)熱器下方空間內(nèi)煙氣溫度分布不均勻。圖4為除塵器入口煙道A、B煙道出口斷面速度分布圖，在保證除塵器兩室流量偏差在5%范圍內(nèi)時(見表1)，模擬所得除塵器入口煙道A、B煙道煙氣溫度分別為138℃、159℃，與電廠現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)143℃、159℃相接近，證明了本文所建立的多孔介質(zhì)模型是切實可行的;同時也說明除塵器入口煙道煙氣溫度偏差主要是由空氣預(yù)熱器的工作原理所造成的。

圖5為空氣預(yù)熱器下方空間內(nèi)導流板安裝位置。由于導流板的作用，使空氣預(yù)熱器下方空間內(nèi)的煙氣得到了一定程度的混合，如圖6所示，高溫區(qū)范圍明顯減小，A、B煙道間煙氣溫度僅相差4℃，但此時煙道的阻力增加了約110Pa。圖7為安裝導流板后A、B煙道出口斷面速度分布。

表1 除塵器入口煙道數(shù)值模擬結(jié)果

圖5 空氣預(yù)熱器下方空間內(nèi)導流板安裝位置

圖6 安裝導流板后監(jiān)測斷面煙氣溫度分布

圖7 安裝導流板后A、B煙道出口斷面速度分布

對于現(xiàn)役且短期內(nèi)并無改造工程的除塵器，可以采用啟動高溫側(cè)煙道緊急噴霧降溫裝置對煙氣進行噴霧降溫［10］，噴嘴投入使用的數(shù)量應(yīng)根據(jù)煙氣溫度偏差情況進行調(diào)節(jié)，噴水量及液滴直徑應(yīng)能保證霧滴在進入除塵器之前完全蒸發(fā)，防止結(jié)潮糊袋，增大收塵阻力，降低收塵效果。

3 結(jié)語

(1)通過對燃煤電廠回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器換熱過程和袋式除塵器入口煙道內(nèi)流場的數(shù)值模擬可知:由于空氣預(yù)熱器的工作原理，使其下方空間內(nèi)的煙氣溫度分布不均勻，導致除塵器入口煙道內(nèi)煙氣溫度存在偏差，影響了大型袋除塵器的應(yīng)用。因此，對于袋式除塵器，不僅要解決氣流分布問題還要解決除塵器入口煙道煙氣溫度偏差問題。

(2)通過在空氣預(yù)熱器下方空間內(nèi)安裝導流板，可使煙氣得到一定程度的混合，煙氣溫度偏差減小到4℃，可見在空氣預(yù)熱器下方空間內(nèi)安裝導流板是減小煙氣溫度偏差的一種有效措施。

(3)應(yīng)用FLUENT進行一系列煙氣流場變化模擬，可以清晰地反映煙道內(nèi)煙氣溫度的分布情況，所得結(jié)果對新建項目及工程改造具有一定參考價值。

［1］肖寶恒，崔云壽.燃煤電廠電除塵器改造為袋式除塵器的可行性研究［J］.電力環(huán)境保護，2002，18(2):17 －18.

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［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.

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Flue gas temperature deviation adjustment in inlet flue of bag filter in coal－fired power plant

The flow field in the inlet flue of bag filter in a coal－fired power plant are numerically simulated with CFD，the causes leading to flue gas temperature deviation in the inlet flue of bag filter have been analysed，it is believed that the reason is mainly due to the working principle of rotary air preheater.Therefore，the direction and measures for reducing the flue gas temperature deviation in the inlet flue of bag filter have been put forward，and the reference for alteration of the inlet flue of bag filter in coal－ fired power plant are provided.

coal－fired power plant;inlet flue;flue gas temperature deviation;numerical simulation

X701.2

B

1674－8069(2012)02－020－03

2011-12-07;

2012-03-11

黨小慶 (1964-)，男，陜西漢中人，博士，主要從事大氣污染控制技術(shù)和設(shè)備研究工作。E－mail:dangxq@163.com