多彎頭匯流煙道的氣流優(yōu)化選型

張 銳

（福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建龍巖 364000）

0 引言

隨著我國環(huán)保標準的日趨嚴格，對氮氧化物、粉塵排放的要求越來越嚴格，對電廠、鋼鐵廠現(xiàn)有大氣環(huán)保設備的升級、改造成為一個必然的趨勢。許多升級改造項目需根據(jù)現(xiàn)有煙道進行改造，布置煙道較復雜，導致改造后運行阻力變大，增加運行電耗。

1 改造背景

受前期建設總平規(guī)劃的場地限制，舊廠改造容易出現(xiàn)復雜連續(xù)多彎頭煙道。對于整體設備而言，煙道的復雜走向帶來的復雜氣流會引起以下兩方面的不利：對于除塵器，氣流在電廠內(nèi)分布狀態(tài)不均勻時，氣流呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，從而導致電廠內(nèi)出現(xiàn)渦流和氣流偏離造成的沖擊，導致除塵器效率下降；對于其他煙道，除塵器的多彎煙道會造成系統(tǒng)阻力的增大，從而提高引風機的能耗，不僅增加了投資，也提高了運行費用。

目前，針對于此類煙風管道的流體力學研究分析手段分為理論經(jīng)驗分析、實驗研究和數(shù)值計算3 種。而這3 種方法組成了研究流體流動問題的完整體系。對于多彎頭煙道，由于煙道內(nèi)部構件并不復雜，采用理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，既可以得出系統(tǒng)阻力值的所需數(shù)據(jù)，又避免了不必要的試驗模型的高投入，是比較經(jīng)濟實用的選擇。

本文基于常見的復雜改造煙道布置，模擬一個較典型的方案進行氣流優(yōu)化選型，對導流板設置層數(shù)與阻力對比做定量分析，再輔以因素評分法進行綜合必選分析，對最佳的導流裝置設置方式進行定性分析，給煙道改造方案必選提供一個較合理的分析必選范圍。

2 復雜煙道結(jié)構分析計算及優(yōu)化

2.1 幾何模型

模擬煙風管道由于改造后場地不足，需2 臺主機煙道分別進氣合并，2 個風機出口煙道由2 段矩形煙道沿中心軸180°布置。每個煙道入口經(jīng)過2 個轉(zhuǎn)彎和匯流彎合并進入后端設備。對2 個連續(xù)轉(zhuǎn)彎的煙道進行獨立小部分分析，確定導葉設置的效果。圖1 為煙道幾何模型，煙氣經(jīng)A、B 兩段煙道進入?yún)R流煙道。由于改造中場地的限制，設計中出現(xiàn)煙道急彎，因此對煙道整體阻力及氣流均勻性造成很大影響。

圖1 煙道幾何模型

由于存在連續(xù)2 個90°方截面彎頭的影響，該段煙道內(nèi)氣流流動狀況非常不均勻，導致系統(tǒng)阻力增大。擬在2 個90°方截面彎頭處布置導流板，以便調(diào)整煙道內(nèi)氣流分布的均勻性，并做好氣流的阻力分析，驗證導流板的可行性，在匯合煙道設置防煙氣對沖擋板，防止煙氣對沖增加阻力。

根據(jù)DL/T 5121—2000《火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程》中關于矩形煙風道急轉(zhuǎn)彎頭的相關選型進行導流板間距等參數(shù)的方案預選，輔以流體分析。經(jīng)過對8 種導流板設置方案的計算模擬，最終必選出4 種模型進行阻力及重量的綜合分析，其中導流板厚度為5 mm。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定

對整個煙道網(wǎng)格模型采用結(jié)構化網(wǎng)格，規(guī)則的體采用六面體網(wǎng)格劃分，不規(guī)則的體采用四面體網(wǎng)格或者混合型網(wǎng)格劃分。針對導流板部分，由于導流板的尺寸小，在網(wǎng)格劃分上采用了加密型網(wǎng)格，以提高計算的準確性?？刂品匠踢x用方面：應用質(zhì)量守恒方程、動能守恒方程、標準k—ξ 湍流模型方程。

按設計標煤煙氣量進行數(shù)值模擬，邊界條件設置如下：

（1）采用速度進口邊界條件，氣流均勻垂直流入，流速為13.12 m/s。

（2）煙道出口邊界條件采用壓力出口，出口壓力設置為0。

（3）導流板采用Wall 設置，板表面默認為非滑動邊界條件。

（4）垂直方向重力加速度為-9.81 m/s2。

2.3 數(shù)據(jù)后處理

如圖1 所示，除塵器出口煙道整體分析結(jié)果為入口A、B 匯合后流速增大，進入主煙道后，由于煙道進一步縮小，流速變大。進一步對單煙道A 做出口壓力流線分析，得出流速分布如圖2 所示。

圖2 A 煙道流速分布

以此流體分析的方法，分別得出無導流板、單層導流板、3 層導流板、多層導流板等多種方案的阻力分布。阻力值分布見表1。

表1 各監(jiān)測點導流板阻力值 Pa

阻力值基本趨勢表現(xiàn)為：隨著導流板數(shù)量增加，各監(jiān)測截面的阻力逐漸減小；隨著導流板的增加，阻力減小的趨勢越來越不明顯。

對于監(jiān)測口1，測量值為單段煙道的總阻力，隨著煙道導流板數(shù)量的增加，煙道總阻力值降低，呈現(xiàn)越來越平緩的趨勢。根據(jù)各點分析結(jié)果的阻力值進行趨勢擬合，得出煙道阻力隨導流板層數(shù)的變化關系：P=0.375X4-6.2X3+40.575X2-127.85X+261.7。導流板層數(shù)—阻力趨勢見圖3。

圖3 導流板層數(shù)—阻力趨勢

3 煙道因素分析法比對

根據(jù)分析結(jié)果，煙道阻力隨著導流板的增加而減小。同時，導流板的增加將帶來以下的后果：

（1）增加煙道鋼耗。導流板增加到一定數(shù)量后，盲目增加導流板對阻力的變化影響很小，僅起到優(yōu)化氣流均布的作用。除后續(xù)工藝未對氣流均布有更高的要求，否則再增加導流板沒有其他優(yōu)化意義。

（2）導流板的增加將加大施工難度，拉長施工周期。由于導流板承受氣流沖擊，且振動較大，大氣環(huán)保設備很多煙道都直接連接引風機或其他重要工藝設備，如施工焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題，容易導致導流板振動撕裂、整體脫落，進而破壞后續(xù)工藝設備，故越多的導流板越增加后續(xù)的運行風險。

（3）技術升級改造項目大多屬于短平快要求的工程，全廠等待設備改造完成繼續(xù)生產(chǎn)，優(yōu)化煙道的導流板數(shù)量可縮短整個施工周期。

（4）由于導流板的振動不可避免，故每次停機檢修需檢查導流板的振動情況，并對所有導流設備進行檢查、補焊。由于很多煙道均處在高空位置，且改造升級項目存在場地復雜、整體布置復雜的情況，因此，煙道導流板越多，檢修難度越高。

基于以上的影響因素，做因素分析法進行模擬的煙道進行整體性因素分析必選。由于阻力是煙道整體考慮的最重要因素，故設置此因素為重要因素，占比為70%，其余3 個條件為次要條件，分別占比10%，根據(jù)此原則進行各項因素占比綜合必選。

4 結(jié)論

（1）對于復雜的多彎頭煙道而言，流場模擬技術能夠通過導流板的布置改善氣流的速度場和氣流的分布，降低煙氣對煙道的沖刷流速，同時提高氣流的均勻性。

（2）流場模擬技術可以通過煙道局部阻力的測定、綜合傳統(tǒng)設計及物模模擬，達到優(yōu)化設計、優(yōu)化系統(tǒng)阻力的作用。

（3）對于多彎頭并流煙道，如后續(xù)對氣流均布性無特別性要求，導流板設置5～8 層，對于煙道整體性能最優(yōu)，其阻力的優(yōu)化空間已不大，且可整體降低后續(xù)施工、檢修的工作量及難度，特別適合改造項目中場地復雜、要求施工周期短的項目。