燃煤機(jī)組電除塵器入口煙道優(yōu)化的仿真分析

商 振 強(qiáng)

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100040)

0 引 言

粉塵排放超低控制是燃煤機(jī)組重要污染物治理的核心內(nèi)容[1-3]。燃煤粉塵是我國(guó)大氣中PM 10和PM 2.5顆粒污染物的重要來(lái)源之一，目前顆粒物的排放標(biāo)準(zhǔn)為小于10 mg/Nm3，因此燃煤機(jī)組需要配置布袋或電除塵器等除塵設(shè)備[4-5]。

電除塵器作為燃煤機(jī)組重要的環(huán)保設(shè)備，主要用于煙氣中顆粒物的分離和捕集，而電場(chǎng)內(nèi)高低速度區(qū)以及氣流渦旋存在的具體危害體現(xiàn)在易導(dǎo)致電除塵器氣流分布不均，從而降低除塵效果，因而除塵器入口煙道的氣流組織與優(yōu)化對(duì)其整體除塵效率、運(yùn)行能耗、設(shè)備壽命等均有重要影響[6-7]。煤電機(jī)組電除塵器多采用多艙室布置，除塵器入口煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平直接影響除塵器不同艙室間的煙氣流量分配以及除塵器入口流速分布[8]，因此開(kāi)展電除塵器入口煙道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究對(duì)于提升電除塵的效率和運(yùn)行穩(wěn)定性均具有重要的意義。

對(duì)于燃煤機(jī)組除塵器入口煙道，由于其尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，因此一般通過(guò)模化試驗(yàn)研究或利用Fluent等商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以研究流場(chǎng)及其變化規(guī)律，通過(guò)兩者相互對(duì)比和結(jié)合分析，實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組煙道流動(dòng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[9-11]，以提升節(jié)能環(huán)保、資源綜合利用的技術(shù)和裝備水平[12]。

高榮偉等[13]對(duì)除塵器入口煙道阻力特性進(jìn)行研究，研究表明圓形煙道阻力只有矩形煙道的1/5，節(jié)能效果明顯。朱召平[14]開(kāi)展除塵器入口煙道流場(chǎng)流動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬，通過(guò)設(shè)置煙道導(dǎo)流板以優(yōu)化煙道的流場(chǎng)，改善各分支的均勻性。孫志鵬[15]采用CFD方法開(kāi)展300 MW燃煤機(jī)組電除塵器前煙道流場(chǎng)仿真與優(yōu)化，指出煙道各拐角處的設(shè)計(jì)對(duì)除塵器入口流速的偏差有重要的影響。趙大周等[16]采用數(shù)值模擬對(duì)660 MW機(jī)組除塵器入口煙道進(jìn)行流場(chǎng)分析，對(duì)比了不同擋流板長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)的影響。程鵬等[17]基于Fluent軟件對(duì)空預(yù)器出口至電除塵器入口段煙道進(jìn)行模擬仿真，對(duì)煙道的優(yōu)化提出均勻性改造提升方案，保證煙氣入口氣流的均勻性。劉明等[18]利用Fluent軟件開(kāi)展除塵器前煙道流場(chǎng)性能診斷與優(yōu)化，提出阻力大幅下降、煙道磨損減輕、進(jìn)入除塵器煙氣分配均勻的煙道布置方案。

針對(duì)某600 MW煤電機(jī)組電除塵器入口煙道的流場(chǎng)均勻性差從而嚴(yán)重影響其除塵性能及運(yùn)行能耗的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)除塵器前置煙道進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)比不同形狀、不同數(shù)目的導(dǎo)流板及整流板對(duì)除塵器煙氣入口流場(chǎng)均勻性與出口流量分配的影響，提出該段煙道的優(yōu)化方案，以期改善煙道流動(dòng)特性以及提高除塵器除塵效率、降低能耗，推動(dòng)企業(yè)節(jié)能及大氣污染物的治理。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

針對(duì)某600 MW燃煤機(jī)組電除塵器入口煙道，主要研究其流場(chǎng)均勻性，重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)流板及其對(duì)流場(chǎng)均勻性和煙道出口(電除塵器入口)流量分配特性。

計(jì)算區(qū)域?yàn)槌龎m器前部分煙氣分配煙道，其中喇叭口前豎直煙道11 400 mm×2 200 mm，水平煙道4 500 mm×4 200 mm，總高11 529 mm，寬24 582.5 mm，總長(zhǎng)30 995 mm。另外，為了考慮除塵器電極板的多孔介質(zhì)區(qū)域，設(shè)置喇叭口及其延伸段12 m。此次仿真分析物理模型按照實(shí)際煙道尺寸1∶1∶1建模，目前現(xiàn)場(chǎng)的煙道如圖1所示。

圖1 煙道流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域示意Fig.1 Schematic diagram of calculation area of flue flow field

1.2 計(jì)算方法

根據(jù)除塵器前煙道的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，基于含顆粒物的煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬能真實(shí)反應(yīng)煙道流動(dòng)情況[15,19]，在滿足工程要求的條件下，為了便于模擬計(jì)算，對(duì)裝置內(nèi)煙氣進(jìn)行如下設(shè)定:

(1)煙氣按不可壓縮介質(zhì)處理；

(2)假設(shè)空預(yù)器后豎直煙道部分煙氣速度分布均勻；

(3)煙道內(nèi)的多孔板采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行模擬；

(4)假設(shè)煙道壁面絕熱，不考慮流場(chǎng)內(nèi)外熱傳遞；

(5)不考慮煙氣中顆粒物對(duì)流場(chǎng)的影響。

煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)采用Rrealizablek-ε湍流模型，對(duì)流項(xiàng)差分格式為三階迎風(fēng)格式。計(jì)算區(qū)域入口設(shè)置為速度入口，入口面流速均勻，100%負(fù)荷工況下流速為15.0 m/s，兩出口均為壓力出口。速度與壓力的耦合采用Simple算法。煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)與模擬對(duì)比驗(yàn)證

對(duì)除塵器前煙道處進(jìn)行流速與壓力測(cè)試，在600 MW負(fù)荷下使用微壓計(jì)及皮托管并根據(jù)《電除塵器性能測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，測(cè)試斷面選定在除塵器進(jìn)口喇叭口前的水平煙道上。每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)除塵器并將其對(duì)稱布置，數(shù)值模擬考慮除塵器A的2支入口煙道，按照網(wǎng)格法要求每個(gè)煙道上等距選取3個(gè)測(cè)試孔，每個(gè)測(cè)孔內(nèi)取3個(gè)測(cè)量深度。穩(wěn)定工況下測(cè)試煙道深度分別1 m、2 m、3 m的煙氣流速，受機(jī)組負(fù)荷限制試驗(yàn)僅測(cè)試600 MW負(fù)荷(除塵器入口煙道流速15 m/s)下的煙氣流速分布。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 The comparison between numerical simulation results and measured values

為分析除塵器入口煙道流場(chǎng)情況并驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)典型工況下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 入口流速對(duì)流量分配不均的影響模擬分析Table 1 Simulation on the effect of inlet velocity on ununiformity flow distribution

數(shù)值模擬工作針對(duì)速度分別為9 m/s、12 m/s和15 m/s的工況進(jìn)行對(duì)比研究。但由于現(xiàn)場(chǎng)受機(jī)組全年負(fù)荷率高的限制，試驗(yàn)典型選取15 m/s工況(滿負(fù)荷)的穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，該工況下的對(duì)比及優(yōu)化結(jié)果對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有可參考性。

在煙氣入口流速15.0 m/s，將電除塵器入口1試驗(yàn)監(jiān)測(cè)界面相同位置上測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比3個(gè)監(jiān)測(cè)面上實(shí)驗(yàn)和模擬的氣流速度數(shù)據(jù)可知，該流場(chǎng)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，仿真結(jié)果誤差小于10%，模擬結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地仿真流道內(nèi)的煙氣流動(dòng)情況。

2.2 原煙道流場(chǎng)分析

原始工況模擬煙道流場(chǎng)如圖4所示。結(jié)合圖3與圖4可發(fā)現(xiàn)，不考慮出口除塵器電極板阻力時(shí)，兩煙道流量不均非常明顯。在入口流速15 m/s、兩出口流量比約1∶1.4，此時(shí)與實(shí)測(cè)流量差大致相同。

圖4 原始工況煙道流場(chǎng)流線Fig.4 Streamline diagram of flue flow field under original working condition

除塵器前煙道原始結(jié)構(gòu)中存在3個(gè)明顯問(wèn)題:

(1)原始煙道存在多處流速高速區(qū)，豎直煙道進(jìn)入除塵器入口前，煙氣流速發(fā)生劇變，水平煙道上側(cè)流速較高且質(zhì)量流量較大，易導(dǎo)致煙道磨損，該現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

(2)在2個(gè)煙道連接處的階梯位置形成較大的旋渦，嚴(yán)重影響入口煙道的流速均勻性，從而會(huì)影響除塵器的運(yùn)行性能。

(3)由表1可知，2個(gè)除塵器入口的分配系數(shù)偏差較大，除塵器2個(gè)入口截面存在嚴(yán)重的速度分布不均勻問(wèn)題。

為了對(duì)除塵器前煙道內(nèi)流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，以下重點(diǎn)分析原始煙道煙氣流動(dòng)情況，如圖5所示，除塵器外側(cè)煙道煙氣流場(chǎng)存在貼壁旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，兩側(cè)入口煙道煙氣流量不均勻，局部渦流、高速區(qū)明顯。

圖5 原始工況煙道煙氣流線Fig.5 Streamline diagram of flue gas under original working condition

由圖5可知，煙氣從垂直段進(jìn)入到除塵器入口前的水平段煙道時(shí)具有明顯的向上側(cè)偏斜的趨勢(shì)，導(dǎo)致煙道上側(cè)流速較高且流量較大，煙道下側(cè)流速較低、流量較小，此與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相吻合。尤其入口2煙道存在較強(qiáng)的漩渦，該段煙道內(nèi)的氣流分布較為紊亂，與流線圖分布規(guī)律一致，煙氣旋渦導(dǎo)致除塵器各入口截面速度分布不均，直接影響除塵效率。

2.3 煙道優(yōu)化方案模擬及分析

結(jié)合其他機(jī)組煙道導(dǎo)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)，以減少和削弱原始工況煙道內(nèi)流速的高速區(qū)、避免氣流漩渦的出現(xiàn)及降低除塵器入口的相對(duì)偏差系數(shù)為目標(biāo)，筆者提出在煙道總?cè)肟诩盁煹?入口加裝導(dǎo)流板的煙道改造方案，以優(yōu)化流場(chǎng)分布。

煙道改造方案如圖6所示，在豎直煙道與水平煙道的夾角處設(shè)置1塊導(dǎo)流板。在水平煙道進(jìn)入除塵器前的分叉口處在原加裝導(dǎo)流板位置的除塵器入口外側(cè)煙道設(shè)置2塊導(dǎo)流板。

除塵器前煙道優(yōu)化后，模擬結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)和(b)分別為改造后煙氣流線的俯視與側(cè)視圖。為了改善除塵器入口煙道1內(nèi)的煙氣渦流，在煙氣進(jìn)入該煙道處加裝3片導(dǎo)流板。數(shù)值模擬結(jié)果表明，加裝導(dǎo)流板后原有的氣流漩渦得到了極大改善。

與原始煙道對(duì)比可見(jiàn)，煙道結(jié)構(gòu)改造后，豎直煙道與入口煙道2的水平煙道處流場(chǎng)的不均勻性得到較大改善，高速區(qū)明顯減少，連接煙道處煙氣偏斜現(xiàn)象消失。

優(yōu)化前后的主要參數(shù)對(duì)比結(jié)果如下:優(yōu)化前與優(yōu)化后的壓降分別為387.9 Pa、359.6 Pa，優(yōu)化前與優(yōu)化后的入口流量比分別為1.18、1.06。由此可知，煙道改造后，2個(gè)除塵器入口煙氣流量分配的均勻性提高了10.2%，與此同時(shí)，還降低了整段入口煙道的壓力損失，降幅約7.3%，除塵器前煙道流場(chǎng)得到較大改善。

3 結(jié) 論

針對(duì)某600 MW燃煤機(jī)組電除塵器入口煙道流場(chǎng)均勻性差的問(wèn)題，采用數(shù)值仿真方法開(kāi)展改造優(yōu)化方案的仿真分析，通過(guò)優(yōu)化煙道的流動(dòng)特性以提高除塵器的除塵效率以及降低能耗。基于流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法和多孔介質(zhì)模型，對(duì)電除塵器入口煙道流場(chǎng)的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬仿真并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，表明數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好地反映煙道內(nèi)流動(dòng)情況，主要結(jié)論如下:

(1)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，原電除塵器入口煙道流場(chǎng)仿真結(jié)果誤差小于10%，數(shù)值模擬結(jié)果可以指導(dǎo)煙道優(yōu)化改造。模擬結(jié)果同時(shí)顯示，除塵器入口煙道內(nèi)存在多處渦流和高速區(qū)，2個(gè)入口的流量分配系數(shù)偏差較大。

(2)針對(duì)除塵器入口煙道流場(chǎng)存在的問(wèn)題，提出了在總煙道入口和除塵器入口2分別加裝導(dǎo)流板的優(yōu)化改造方案，對(duì)改造后的煙道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并對(duì)比改造前后的效果顯示，改造后除塵器前煙道內(nèi)部高速區(qū)明顯減少，原有的氣流旋渦也基本消失，2個(gè)除塵器入口煙氣流量分配的均勻性提高了10.2%，與此同時(shí)，還降低了整段入口煙道的壓力損失，降幅約7.3%，除塵器前煙道流場(chǎng)得到較大改善。