一種利用數值建模方式對煙道優化的舉措

勝利國電（東營）熱電有限公司 丁厚東 張 振 李魯華

勝利國電#5機組為660MW 超臨界燃煤供熱機組，2015年12月16日完成168小時試運。為響應國家環保要求，2017年8月至2017年12月機組進行超低排放改造，將SCR 脫硝由“2+1”升級為“3+1”；脫硫塔噴淋層上移一米且在最下層增加均流盤；脫硫吸收塔后增加濕電除塵。改造完成后機組運行出現，300MW 以下負荷5A 單引風機運行正常，300MW 以上升負荷啟動5B 引風機極易失速，且無法并列；在高負荷期間引風機出力不足無法帶滿負荷問題。上述問題已嚴重影響機組的正常運行，亟需解決。

1 原因分析

選型參數和全壓（Pa）運行參數比較：額定負荷比較。選型BMCR/10050、選型BRL 工況/7650、實際運行612MW/9755；50%負荷比較。選型50%THA/2530、實際運行300MW/5325。由以上對比可看出，612MW 時引風機實際運行全壓已經接近BMCR 工況選型全壓，遠高于THA 工況選型全壓。300MW 工況引風機實際運行全壓甚至是設計50%THA 工況全壓的2倍。

以上對比可看出，改造后風機實際運行參數遠大于設計參數，尤其是實際運行全壓（系統阻力）遠高于設計全壓，而系統阻力出現較大變化。為解決以上問題，根據當前煙道布局，采用數值模擬的方法分析其煙道流場狀態，找出煙道阻力優化空間，以期達到通過局部煙道優化，降低引風機出口阻力。

2 數值模擬選擇

2.1 數值模擬概念

數值模擬也叫計算機模擬。依靠電子計算機，結合有限元或有限容積的概念，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究。根據流體阻力計算情況，選用CFD 數值模擬方法開展。

2.2 CFD 方法簡介

CFD 是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體力學）的縮寫，是一門用數值計算方法求解流動主控方程以發現各種流動現象規律的學科。計算流體力學和相關的計算傳熱學，計算燃燒學的原理是用數值方法求解非線性聯立的質量、能量、組分、動量和自定義的標量的微分方程組，求解結果能預報流動、傳熱、傳質、燃燒等過程的細節，并成為過程裝置優化和放大定量設計的有力工具。計算流體力學的基本特征是數值模擬和計算機實驗，它從基本物理定理出發，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學實驗設備，在科學研究和工程技術中產生巨大的影響。

用CFD 技術進行數值求解的基本思想是：把原來在空間和時間坐標中連續的物理量的場，用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則來監理離散點上的變量值之間關系的代數方程，求解代數方程以活動所求變量的近似值。其只要用途是對流態進行數值仿真模擬計算，為了是數據結果更為直觀，將求解結果的速度場、流量場等用計算機模型表示出來。利用CFD 方法進行仿真模擬可以直接顯示煙道中流體的壓力、速度，從而進一步分析煙道中流體阻力情況，對煙道結構設計及參數選擇做出指導，為優化改進煙道內部結構做出判定。

3 建模分析

模擬對象為勝利國電#5機組A、B 側濕式除塵器凈煙道出口的匯合煙箱，分析其內部煙氣流場分布。圖1為該項目煙道布置設計圖。

圖1 煙道主視圖（左）、俯視圖（右）

3.1 建立數模

數值模擬方案及幾何模型。根據設計圖紙，建立全尺寸的三維模型，設定條件為：煙道采用全尺寸建模，入口位置為A/B 側脫硫塔出口水平煙道，出口位置為煙囪出口；分隔板、導流板采用無厚度壁面代替；煙氣勻速進入建模段兩個入口水平煙道，溫度30℃，煙氣組分根據原設計確定；數值模擬中的網格數量為141萬。

數學模型。整個煙道內流場的數值模擬是通過CFD 軟件實現。模擬過程中數學模型的選取及邊界條件的處理方式主要包括：選用Standard k-ε 模型對湍流進行簡化模擬；邊界條件的設定：煙氣入口為速度入口，出口為壓力出口；該模型用有限體積法在離散的網格上進行求解。考慮到流速較快，求解過程中耦合進湍流求解模塊；邊界條件設置。數值模擬邊界條件設置為：煙氣入口煙氣體積流量1393817m3/h，溫度30℃、出口壓力0Pa。

3.2 原始煙道流通形態分析

圖2 速度分布

圖3 總壓分布

通過模型與網格的建立和邊界條件的設置，首先計算原始煙道模型。原始狀態下煙道模型的計算結果：入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）546.2Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）685.2Pa。從模擬結果來看，風機出口側兩股煙氣對沖，速度場、壓力場極不均勻，導致局部阻力高。

3.3 不同分隔與導流加裝模擬分析

設置分隔板。利用分隔板將兩股煙氣分開，可能是有效的降低煙道對沖、減少兩個入口的總壓壓降有效方式。在煙道內增加分隔板將兩股煙氣分隔開來，入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）257.3Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）733.1Pa。從模擬結果來看，增加分隔板后，兩股煙氣相沖的現象已經消失，但入口2的局部速度和總壓降反而有所增加。

圖4 分隔板煙道模型速度分布

圖5 分隔板煙道模型總壓分布

分隔板加導流板設置分析：單單在匯合集箱處設置分隔板，煙道1的速度分布與阻力情況明顯得到改善，但煙道2總壓壓降反而有所升高，反應出局部阻力增加。為此在加裝分隔板的基礎上，對在如圖6的四個位置采用不同組合加裝導流板模式，通過數字計算模型模擬進行核算，得到對應的速度分布與總壓分布，并根據分布情況對加裝位置和方式進行逐步優化調整。經綜合比較選定較優方案的模擬情況如下。

圖7 分隔板加導流板煙道模型

圖8 分隔板加導流板煙道模型速度分布

圖9 分隔板加導流板煙道模型全壓分布

計算模型：入口1總壓壓降（煙道入口1→煙囪出口）237.7Pa，入口2總壓壓降（煙道入口2→煙囪出口）281.1Pa。從模擬結果來看，優化分隔板和導流板之后，最大流動速度下降，煙道1與煙道2的速度分布及總壓壓降匹配情況良好。

實施結論。根據數值模擬選擇分隔板+導流板方案并在2018年9月份小修進行工程施工，有效的降低了煙囪入口處局部阻力，解決了引風機無法并列等問題。

4 結語

根據數值模擬結果優化選擇了有效的分隔板+導流板方案并進行實施，有效降低了煙道阻力，解決了引風能力不足、雙引風機易失速、無法并列的問題。通過此次工程實踐可發現，針對具體問題采用數值建模的方式，可在不進行大量投入的情況下，通過生動的圖片、既定條件的數值核算，發現其間存在的問題，并獲得可參考的解決方案，通過針對性的施工得以有效地解決實際問題。數值建模方式明顯減少試錯成本，其定量化的計算，為準確施工提供保證，為同類機組在流體動力特性改變或出現偏差條件下解決相似問題提供有益的參考，，具有較好的示范意義。