準(zhǔn)能矸石電廠4#機組煙道數(shù)值計算仿真與煙氣流動分析

馬鵬飛1,張 選1，賈瑞龍1，王立新1，尚 慶，閆金山，閆 溟，田俊武

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙 準(zhǔn)格爾旗薛家灣 010399；2.中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引 言

為響應(yīng)國家號召，改善大氣環(huán)境質(zhì)量[1-2]，加快現(xiàn)役煤電的超低排放改造步伐，許多針對煙氣污染物超低排放技術(shù)的研究工作得到開展[3-4]，全國各地已建電廠也均在進(jìn)行相關(guān)工作，對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行升級與改造。煙道在電廠設(shè)備中屬于重要部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的煙道能夠?qū)φ麄€煙氣運行系統(tǒng)帶來有益的作用[5-6]，為此，文中將研究重點放在煙道構(gòu)型方面。電廠現(xiàn)有煙道中的煙氣流動與結(jié)構(gòu)問題較復(fù)雜，文中將基于空氣動力學(xué)原理，綜合運用流體力學(xué)三維計算仿真、現(xiàn)場試驗測量、專業(yè)設(shè)計等手段，進(jìn)行煙道構(gòu)型的分析。初步看，當(dāng)前煙道布置過于緊湊，急彎多，矩形煙道內(nèi)部支撐過多，煙道內(nèi)氣體流動漩渦太多，導(dǎo)致煙道系統(tǒng)阻力較大，甚至影響到后續(xù)的布袋除塵器入口煙氣不均衡情況，導(dǎo)致生產(chǎn)能耗指標(biāo)高。文中將結(jié)合使用CFD數(shù)值仿真手段，在大規(guī)模計算機集群上，對煙道進(jìn)行仿真模擬計算，以期實現(xiàn)CFD數(shù)值模擬技術(shù)對煙道優(yōu)化的指導(dǎo)。

1 4#機組煙道模型

電廠4#機組的鍋爐尾部煙氣分成兩路平行通道，分別沿著兩臺空預(yù)器，流經(jīng)兩路結(jié)構(gòu)對稱設(shè)計的煙道，進(jìn)入兩路布袋除塵器，在兩路煙道之間設(shè)置有聯(lián)箱。實物照片如圖1所示，左圖為大致側(cè)視煙道實物照片，右圖為大致俯視煙道實物照片。另機組圍墻內(nèi)還有部分煙道結(jié)構(gòu)未給出，但其大概構(gòu)型可在圖2中看到。圖2給出了所研究煙道的CFD數(shù)值計算仿真網(wǎng)格建模，由于在煙道內(nèi)多處有內(nèi)部支撐桿，所以建模網(wǎng)格量較大，圖2(a)給出了煙道網(wǎng)格建模的上側(cè)視圖，圖2(b)給出了煙道網(wǎng)格建模的底側(cè)視圖，圖中可以看到四個灰斗，上方是兩路空預(yù)器，煙氣經(jīng)過兩路空預(yù)器之后，分別水平拐彎，在經(jīng)過直角彎頭，并爬升至后面的布袋除塵器入口，在爬升之前有矩形聯(lián)箱將兩路煙氣聯(lián)通。圖中網(wǎng)格較密集的部位是安裝內(nèi)部支撐桿的位置，為了準(zhǔn)確模擬支撐桿附近的煙氣流動情況，該位置都進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理。

圖1 準(zhǔn)能矸石電廠4#機組煙道實物照片

圖2 準(zhǔn)能矸石電廠4#機組煙道CFD數(shù)值計算仿真網(wǎng)格建模

2 數(shù)值計算理論方法

煙氣在彎曲煙道內(nèi)的流動是一個很復(fù)雜的過程，流動本身經(jīng)過彎頭或彎曲部件會產(chǎn)生流動分離漩渦，流經(jīng)煙道內(nèi)部許多的支撐桿也會產(chǎn)生很大的擾動，這些都使得煙道壓力降低較多，對煙道的阻力影響很大。文中數(shù)值計算仿真過程中采用了工程上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)k-雙方程模型[7]模擬煙氣湍流流動，使用隨機軌道模型[8]模擬粉塵顆粒的運動，計算格式使用了二階迎風(fēng)格式，主要流動控制方程如下。

質(zhì)量方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

控制方程可以轉(zhuǎn)換為通用形式：

(4)

φ表示為通用變量，分別代表密度、速度和組分還有焓。源項如下：

(5)

計算使用了k-ε模型，建立它們的方程有：

μT=cμρk2/ε

ε方程為：

(6)

k方程為：

(7)

煙氣中粉塵顆粒運動方程，設(shè)正x方向垂直向下，考慮到作用在顆粒上的力主要是氣相阻力和重力，其它力相對較小可忽略不計，則描述顆粒三維瞬時運動的動量方程可寫為：

(9)

(10)

3 煙道計算工況及邊界條件設(shè)置

計算中，入口使用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口使用壓力出口邊界條件，煙道壁面假設(shè)無熱交換，煙氣體積總流量234e+4m3/h，溫度約145 ℃，煙氣成份大致為N2為73%，O2為2.66%，CO2為14.9%，H2O為9.45%。粉塵顆粒流量約為87 t/h。數(shù)值計算仿真分別針對煙氣氣相流動與氣體顆粒兩相流動開展了數(shù)值模擬研究。

表1煙道CFD數(shù)值模擬所用煙氣成份

4 煙道數(shù)值計算仿真結(jié)果與流場分析

經(jīng)過對煙道內(nèi)煙氣運動的數(shù)值計算，分別得到了不含粉塵的氣相煙道阻力與含粉塵的兩相流動的煙道阻力，見表2，不考慮粉塵條件下煙道阻力約為564 Pa，考慮粉塵條件下煙道阻力數(shù)值約590 Pa，二者差異約26 Pa。后續(xù)給出詳細(xì)的計算結(jié)果與分析。

表2煙道阻力數(shù)值

圖3與圖4分別給出了煙道側(cè)視總壓分布云圖與俯視總壓分布云圖。從圖中可以看到，在煙道拐角處、還有爬升處等部位總壓損失較大，是煙道阻力主要集中的部位。

圖3 煙道側(cè)視總壓分布云圖

圖4 煙道俯視總壓分布云圖

圖5給出了煙道中煙氣流線圖。從圖中可以看到，煙氣由空預(yù)器向下流動，在灰斗上方進(jìn)行水平拐彎，而后經(jīng)過直角彎頭到達(dá)聯(lián)箱處，再進(jìn)行爬升流至除塵器入口，在聯(lián)箱附近可以看到煙氣流線混亂，出現(xiàn)很多流動漩渦結(jié)構(gòu)，而后在除塵器之前的煙道內(nèi)，煙氣也旋轉(zhuǎn)流動，這些雜亂或漩渦結(jié)構(gòu)都增加了流動阻力，是煙道阻力主要產(chǎn)生的地方。

圖5 煙道中煙氣流線圖

圖6 煙道內(nèi)部剖面流場速度分布圖

圖6給出了煙道內(nèi)部剖面流場速度分布圖。可以看到，顏色越紅表示速度越快，顏色越藍(lán)表示速度越慢，煙氣經(jīng)過繞流內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，給速度帶來了損失，且在煙氣各個拐彎的地方也都帶來了速度損失，這些都是引起煙道阻力增加的地方。

圖7給出了煙道內(nèi)部剖面流場壓力分布圖。從剖面壓力云圖中可以看出，在直角彎頭和聯(lián)箱附近及爬升段，是壓力損失較大的地方。

圖7 煙道內(nèi)部剖面流場壓力分布圖

圖8給出了煙道內(nèi)部剖面流場煙氣流線圖。從這張圖中則可以更加直觀的看到煙道內(nèi)部流動漩渦結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)生流動漩渦的附近煙道相應(yīng)的是阻力最大的部位。若以后進(jìn)行該煙道的優(yōu)化可以重點改進(jìn)這些部件。

圖8 煙道內(nèi)部剖面流場煙氣流線圖

圖9給出了煙道內(nèi)部不同直徑尺寸粉塵粒子運動軌跡。可以看到，粉塵粒子隨著氣流不斷運動，在拐角附近、聯(lián)箱中、爬升段也產(chǎn)生了漩渦運動，粉塵粒子的運動都是氣體攜帶誘導(dǎo)的，這會損失氣體的一些能量，由計算數(shù)據(jù)可知，煙氣中有粉塵的條件下，會相應(yīng)的增加氣體總壓損失，煙道阻力也會更大一些。

圖9 煙道內(nèi)部不同直徑尺寸粉塵粒子運動軌跡

表3給出了煙道中從空預(yù)器出來的兩路煙氣流量的均衡性情況。可以看到，假設(shè)兩臺空預(yù)器內(nèi)部發(fā)生問題或阻塞程度不同時，比如兩路煙氣，一路在原有流量基礎(chǔ)上增加5%，另一路在原有流量基礎(chǔ)上減少5%，那么由此帶來的煙道總阻力是增加的，而且在后續(xù)的除塵器入口附近，兩路煙氣的流量不均衡程度還會擴大，流量偏差接近了±14%；而若兩路由空預(yù)器帶來的入口流量偏差±10%的話，那么后續(xù)除塵器入口的煙氣流量偏差則達(dá)到±18%，而且流動還是不穩(wěn)定的，流量存在波動。這估計是聯(lián)箱沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

表3兩路煙道流量均衡性研究

5 結(jié)束語

文中開展的電站鍋爐尾部煙氣在煙道內(nèi)部的流動情況的數(shù)值模擬仿真，不僅研究了煙氣與粉塵在煙道內(nèi)的流動與相互作用的現(xiàn)象，而且為今后煙道優(yōu)化提供了指導(dǎo)思想，可以得到以下結(jié)論：

(1)經(jīng)過對煙道內(nèi)煙氣運動的數(shù)值計算，得到了煙道阻力，不考慮粉塵與考慮粉塵條件下煙道阻力二者差異約26 Pa。研究表明，煙氣經(jīng)過繞流內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，給氣流帶來了損失，在拐角附近、聯(lián)箱中、爬升段也產(chǎn)生了漩渦運動，是煙道阻力主要產(chǎn)生的地方，氣流中攜帶的粉塵粒子，也會損失氣體的一些能量。

(2)在煙道的兩路煙氣流量的均衡性研究中，可以看到，兩路煙氣在原有流量基礎(chǔ)上偏差±5%時，那么后續(xù)的除塵器入口兩路煙氣的流量偏差接近了±14%，而若兩路煙氣流量偏差±10%的話，那么后續(xù)除塵器入口的煙氣流量偏差則達(dá)到±18%，而且流動還存在不穩(wěn)定性，導(dǎo)致流量始終有波動。