火電廠凈煙氣煙道流場特性分析及流量測點選擇

張振義，鄒 磊

(1.國華徐州發電有限公司，江蘇徐州 221166；2.江蘇方天技術有限公司，江蘇南京 211102)

火力發電廠煙氣排放流量是環保監測的重要數據[1]，煙氣在線監測設備大多安裝在煙囪前的煙道上。由于煙道內煙氣流場復雜，隨意布置的流量測點無法合理反映實際流量，煙氣流量的測量精度無法達到規范要求。燃煤機組改建脫硫工程后，由于場地空間限制，脫硫系統后凈煙氣通往煙囪的煙道較短，且存在多處拐角，這些均給煙氣流量測點的安裝帶來了困難。由于測點安裝位置不當，在線監測設備監測到的流量值往往波動較大、精度較低，有的甚至出現較長時間無流量值的情況，而且在不同工況下，由于煙氣量的不同，相同位置的流場分布也可能會發生改變。若測點安裝在渦流區還會引起監測設備的強烈震動[2]。目前，火電廠普遍存在由于煙氣流量測點安裝位置不當造成測量值準確性差的問題。數值模擬作為一種成熟的研究技術在電站鍋爐流場分析中得到了廣泛的應用[3，4]。

1 計算模型及邊界條件

1.1 計算模型

數值計算的物理模型采用實際的凈煙氣煙道的結構數據，計算區域為從脫硫系統的煙氣換熱器（GGH）出口連接處到煙囪煙道連接處的凈煙氣煙道的連接面，計算模型如圖1 所示。從圖1 中可看出，煙氣自GGH 流出后至下行煙道，經轉彎至下部水平煙道，再轉彎至上行煙道，進一步轉彎至上部水平彎曲煙道，最后至煙囪煙道連接處。

計算模型采用煙道的實際結構尺寸，其中的坐標軸為：X 向基本為煙氣的主流方向，零點設定在GGH出口煙道的軸線處；Y 向為高度方向，坐標值采用工程實際的標高數值；Z 向為煙道的深度方向，零點設定在下部水平煙道的軸線位置。本文中所指的下部煙道包括了GGH 后下行煙道、轉彎、下部水平煙道及進一步轉彎后的上行煙道；上部水平彎曲煙道則主要是指下部上行煙道轉水平后的、為適應煙囪位置的水平彎曲煙道。

圖1 凈煙氣煙道流場計算區域示意圖

采用k-ε 雙方程湍流模型來模擬煙道內氣相湍流流動，其控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、k 方程、ε 方程。若不考慮熱交換的單純流場問題，則不需要包含能量方程[5]。上述控制方程可表示為如下通用形式：

在三維直角坐標系下，k-ε 雙方程模型的控制方程如下：

式（1，2）中：Φ為待求解的物理量；Γ為擴散系數；div（ρVΦ）為對流項；div（ΓgradΦ）為擴散項；S為源項。對于特定意義的Φ，具有特定的量Γ 和S。在通用形式方程中，當Φ 分別為1，U（u，v，w），k，ε時，分別對應連續性方程，動量方程，k 方程和ε 方程。

1.2 邊界條件

按照設計煙氣量1 012 604 Nm3/h 和50%設計煙氣量共進行了2個工況條件的數值計算，煙氣溫度按照設計值80℃計算。入口采用流量邊界條件，出口采用壓力邊界條件，壓力按照設計值給定，設定煙氣流動與壁面無滑移且壁面按絕熱處理。收斂殘差標準設定為10-4。為簡化計算，視煙氣為單一氣體，不考慮不同煙氣成分對計算結果的影響。

2 數值計算結果

2.1 凈煙氣煙道內流場特性分析

凈煙氣煙道在100%設計煙氣量工況下的流場分布如圖2、圖3 所示。其中，圖2為煙道流場速度分布立體圖，以下部水平煙道軸線垂直面和上部水平彎曲煙道的3個不同標高水平面上的速度分布來反映整個煙道內的速度分布情況；圖3為凈煙氣煙道內流場速度矢量分布圖。

圖2 設計煙氣流量工況下煙道流場速度分布立體圖

圖3 煙道流場速度矢量分布圖

從圖2 和圖3 可以看出，煙道內的速度場整體情況：GGH 后煙道下行轉彎進入下部水平煙道后，煙氣速度趨于均勻；煙氣繼續流動經水平轉垂直轉彎后，在上行過程中，除彎頭局部出現低速區域外，速度也較均勻；但在煙氣再轉水平流動時，由于垂直轉水平轉彎和為適應煙囪布置的煙道水平彎曲的存在，導致這水平轉彎煙道開始前的上部轉彎區（圖2、圖3 中的左上角）出現一個低速回流渦流區；此后由于煙道的2個連續轉彎和上部水平彎曲煙道的尺寸較短，導致整個上部水平彎曲煙道內速度分布嚴重不均勻。

凈煙氣煙道局部截面上速度分布情況如圖4—6所示。其中，圖4為下部煙道軸線垂直面（Z=0）上的速度分布，圖5為上部水平彎曲煙道軸線水平面（標高Y=12 000 mm）上的速度分布，對應下部煙道，圖6 則為下部水平煙道中部（X=7200 mm 處）垂直X 軸的截面、上行煙道（X=11 526 mm 處）垂直X 軸的截面上和煙道出口垂直面上的速度分布，以反映煙道在Z 向上速度分布的均勻性。

圖4 下部煙道軸線垂直面（Z=0）上的速度分布

圖5 上部水平轉彎煙道軸線水平面（Y=12 000 mm）上的速度分布

圖6 下部水平煙道（X=7200 mm）和上行煙道（X=11 526 mm）處垂直截面上和煙道出口的速度分布

從圖4 和圖5 可以看出，在上部水平彎曲煙道內側、上部出現高速區，而外側、下部出現低速區。從圖6可以看出，為了適應煙囪的布置，通往煙囪的彎曲煙道尺寸較短，從而導致這種不均勻分布一直延續到出口面。對于下部煙道及其后轉彎上行煙道，煙氣速度分布基本是均勻的。分析100%設計煙氣量工況下的流場分布可知，凈煙氣煙道下部速度分布較均勻，速度最均勻的區域出現在該段的中部水平煙道區域，在該區域內煙氣速度變化較小，在15～18 m/s 范圍內；上部水平彎曲煙道內煙氣經歷3 次轉向后，在煙道垂直截面上的速度分布嚴重不均；煙道中各彎頭的圓弧過渡處都不同程度的出現了局部低速或高速區。

2.2 不同煙氣量對煙道內速度分布的影響

為了反映不同煙氣量對凈煙氣煙道內流場分布的影響，本文對50%設計煙氣量工況下煙道內流場進行數值模擬。該工況下煙道流場速度分布立體圖如圖7所示。為與圖2 進行對照比較，圖7 同樣給出下部水平煙道軸線垂直面和上部水平彎曲煙道的3個不同標高水平面上的速度分布情況。

對于50%設計煙氣流量的計算工況，計算結果顯示，除速度的數值外，計算得到的煙道內速度分布總體上與設計煙氣流量工況（圖2）幾乎一致，可以看出，煙氣流量的變化對煙道內的速度分布影響很小。

3 結束語

（1）下部水平煙道速度分布相對較均勻，速度最均勻的區域出現在該段的中部水平煙道區域；上部水平彎曲煙道內煙氣經歷3 次轉向，在煙道垂直和水平方向的速度分布都不均勻。

圖7 50%設計煙氣流量工況下煙道流場速度分布立體圖

（2）煙氣流量的變化對煙道內的速度分布影響不大，煙氣流量從設計流量減少50%，除速度數值外，煙道內的速度分布幾乎一致。

（3）通過對某電廠脫硫系統后凈煙氣煙道內流場的數值計算分析發現，在該煙道下部水平煙道段中部安裝煙氣流量測點相對較好。

（4）通過數值模擬計算結果可以合理選擇煙氣流量測點，從而提高煙氣流量測量精度。

[1]王萬林，齊小娟.火電廠煙氣排放流量測量方法研究[J].浙江電力，2009(6)：17-19.

[2]白江文，魏 威，周 強，等.煙氣排放連續監測系統及其常見故障分析處理[J].江蘇電機工程，2011，30(3)：78-80.

[3]鄒 磊，高小濤，黃 磊.基于CFX的爐內空氣動力場的數值模擬研究[J].江蘇電機工程，2009，28(4)：81-84.

[4]陳 雯，于向軍.基于FLUENT的風粉管道風速流場模擬[J].江蘇電機工程，2008，27(6)：72-75.

[5]王福軍.計算流體動力學分析CFD 軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：7-11.