660MW機組除塵器入口煙道流場分析

趙大周

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

660MW機組除塵器入口煙道流場分析

趙大周

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

采用現場試驗結合數值模擬的方法研究了國內某660MW機組除塵器入口煙道的流場分布，研究發現：進入除塵器A列煙道的煙氣速度分布均勻性較差，并且試驗測得速度分布與模擬結果吻合較好。而通過試驗測得的B列煙道出口煙氣速分布與模擬得到的結果差異較大，氣固兩相模擬結果顯示：B列煙道內的積灰，是導致煙氣速度分布改變的原因。

煙道；流場；數值模擬；飛灰

0　引言

煙道是連接電站系統各設備的主要部件，同時也用于輸送煙氣、冷風等介質[1]，其設計的合理與否直接影響著鍋爐機組的經濟安全運行，而除塵器入口段煙道，決定著進入除塵器煙氣量的分配以及進入除塵器煙氣速度分布的均勻性，進而影響除塵效果。隨著國家對燃煤電站粉塵顆粒物排放要求的不斷提高，通過改善除塵器入口煙道的流場分布來提高除塵效率的研究具有重要意義[2-5]。

本文以國內某660MW燃煤電廠除塵器與空預器之間的煙道為研究對象，通過現場試驗結合數值模擬的方法研究了煙道內流場的分布規律，為煙道系統的優化設計提供參考。

1　研究對象及幾何模型

研究對象為國內某660MW機組空預器與除塵器之間的一段煙道，入口煙道截面尺寸10484mm× 2696mm，兩出口煙道截面尺寸均為為5000mm× 4000mm。CFD幾何模型根據電廠提供的竣工圖等比例建立，模型如圖1所示。采用Gambit軟件對模型進行網格劃分，規則煙道采用六面體網格，含有導流板的煙道采用非規則網格。整個模型的網格數量約40萬，網格劃分如圖2所示。

2　數學模型及邊界條件

2.1數學模型

煙氣在煙道內的流動狀態為湍流，控制方程包括連續性方程、能量方程、動量方程、標準k-ε方程，通用形式如下：

式中ρ—煙氣密度，kg/m3；

u—煙氣流速，m/s；

φ—通用變量；

Γ—廣義擴散系數；

S—廣義源項。

由于飛灰在煙氣中的體積率較小，因此可采用拉格朗日離散相模型和顆粒軌道模型來進行模擬研究。考慮到煙道內的湍流，采用隨機漫步模型（Discrete Random Walk，DRW）來模擬湍流對飛灰運動的影響。忽略飛灰顆粒受到較小的的浮力、Basset力、Saffman力等作用力，主要考慮重力和曳力的作用，顆粒運動方程如下：

式中up—飛灰顆粒速度，m/s；

FD（u-up）—單位質量飛灰顆粒所受的曳力；

ρp—飛灰顆粒密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2。

2.2邊界條件

煙氣入口速度為充分發展的湍流，反應器出口為壓力出口條件。速度與壓力的耦合采用Simple算法。本文以機組600MW負荷下的工況為例進行模擬研究，模擬采用的煙氣量為該負荷段DCS的平均值，反應器入口煙氣參數見表1。

表1　反應器入口邊界條件

3　流場試驗

試驗在機組運行穩定、設備狀況正常的情況下進行，以標定過的畢托管在出口煙道處進行動壓測量。每個出口煙道測量7個測孔，每個測孔測量8個深度。得到機組600MW負荷下A列煙道出口截面Z方向的速度分布如圖3所示。

由圖3可以看出，A列煙道出口截面Z方向的速度分布很不均勻，整體呈現出左上位置流速高，右下位置流速低的特點，截面平均流速11.2m/s。

用相同的測試方法測得B列煙道出口截面Z方向的速度分布如圖4所示。

由圖4可看出，B列煙道出口截面Z方向的速度分布同樣不均勻，呈現出左側流速低，右側流速高的分布特點，截面平均速度大小為10.6m/s。為進一步分析了解兩列煙道內的速度分布，下文進行數值模擬計算。

4　數值模擬結果與討論

4.1流場分布

目前，工程中多以速度相對偏差系數來描述速度的均勻程度，速度相對偏差系數Cv定義為：

式中vˉ—平均速度大小，m/s；

σ—標準差。

采用上文的計算模型及邊界條件進行模擬計算，計算得到A列煙道出口及B列煙道出口截面Z方向煙氣平均流速分別為11.87m/s和10.83m/s，這與現場試驗值較為接近。A列煙道出口截面Z方向速度分布如圖5所示，B列煙道出口截面Z方向的速度分布如圖6所示。

通過對比圖3可看出，數值模擬得到的速度分布與試驗得到的速度分布吻合較好，均體現為左上位置流速高、右下位置流速低的分布特點，數值模擬結果較為可靠。同時模擬計算得到A列煙道出口截面速度相對偏差系數達22.7%。

由圖6可看出，B列煙道速度分布呈現出左側位置速度高，右側位置速度低的分布規律，截面速度相對偏差系數為15.1%。通過對比圖4，可明顯看出數值模擬得到的速度分布與試驗結果差異較大，速度分布規律近乎相反。為進一步研究B列煙道出口截面速度分布與實測值產生差異的原因，下文進行氣固兩相流動的模擬研究。

4.2飛灰分布

本文假設入口飛灰分布均勻，且飛灰顆粒與煙氣有相同的初始速度，飛灰粒徑分布服從Rosin-Rammler分布。模擬得到飛灰顆粒在煙道內的分布如圖7所示。

由圖7可看出，在重力作用下飛灰顆粒容易沉積在上轉角煙道的下部以及水平煙道的底部。而該機組又長期處于中低負荷運行，煙氣量較小，煙道內的速度較低，在低煙氣流速的情況下，飛灰顆粒更易沉積。

模擬結果顯示B列煙道內側積灰較嚴重，假設由于積灰等原因導致B列煙道內側局部區域堵塞，模擬計算得到B列煙道出口Z方向出口速度分布如圖8所示。

由圖8可看出，B列煙道內側的積灰導致出口速度分布左側低右側高，與試驗值吻合較好，也充分的說明了B列煙道內側有較嚴重的積灰或異物堵塞。

5　結語

采用現場試驗結合數值模擬的方法對國內某660MW燃煤電廠除塵器前煙道內的流場進行研究，得到如下結論：

（1）A列煙道出口速度分布的均勻性較差，相對偏差系數達22.7%，模擬得到的速度分布與試驗測得結果相吻合。

（2）B列煙道出口速度分布的模擬結果與試驗得到的速度分布差異較大，原因為B列煙道內側長期積灰導致流通截面的改變，從而引起了速度分布發生了改變。

（3）氣固兩相的模擬結果顯示：飛灰顆粒易沉積在上轉角煙道的底部以及除塵器入口水平煙道的底部，因此在機組停運期間，應及時清理煙道內的積灰。

[1]車德福，莊正寧，李軍，等.鍋爐[M].西安：西安交通大學出版社，2008：65-66.

[2]劉明，孟桂祥，嚴俊杰，等.火電廠除塵器前煙道煙道流場性能診斷與優化[J].中國電機工程學報，2013,33（11）：1-6.

[3]張樂川，蔣麗，候振.除塵器前煙道優化設計分析[J].電站系統工程，2010,26（4）：33-34.

[4]李國堂，李立曉，白穜.除塵器前圓形煙道流場的數值模擬[J].鍋爐技術，2014，45（1）:22-25.

[5]齊曉娟，李鳳瑞，周曉蕓.電除塵器進口矩形煙道氣流分布改進的CFD模擬[J].環境工程學報，2011，5(2):404-407.

Flow Field Analysis Before the Dust Collector of 660MW Power Unit

ZHAO Da-zhou
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The flow field distribution of inlet flue ofa 660MW unitwas studied,Based on field testand numerical simulation,the results show that：The uniformity of flue gas velocity distribution in A flue is poor,simulation results are in good agreementwith theexperimental results.The fluegasvelocity distribution in the B fluewhich obtained by field testand simulation aredifferent.Gassolid two phase simulation resultsshow：ash deposition in the B flue is the cause of thechange of thevelocitydistribution.

field test；flow field；numerical simulation；ash

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.009

TM621.7+3

B

2095-3429（2016）05-0036-04

趙大周（1990-），男，山東棗莊人，碩士，助理工程師，研究方向：燃煤電廠大氣污染物的控制。

2016-06-21

2016-08-04