火電廠凈煙氣煙道流場特性分析及流量測點選擇

張振義，鄒 磊

(1.國華徐州發(fā)電有限公司，江蘇徐州 221166；2.江蘇方天技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102)

火力發(fā)電廠煙氣排放流量是環(huán)保監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)[1]，煙氣在線監(jiān)測設(shè)備大多安裝在煙囪前的煙道上。由于煙道內(nèi)煙氣流場復(fù)雜，隨意布置的流量測點無法合理反映實際流量，煙氣流量的測量精度無法達到規(guī)范要求。燃煤機組改建脫硫工程后，由于場地空間限制，脫硫系統(tǒng)后凈煙氣通往煙囪的煙道較短，且存在多處拐角，這些均給煙氣流量測點的安裝帶來了困難。由于測點安裝位置不當(dāng)，在線監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到的流量值往往波動較大、精度較低，有的甚至出現(xiàn)較長時間無流量值的情況，而且在不同工況下，由于煙氣量的不同，相同位置的流場分布也可能會發(fā)生改變。若測點安裝在渦流區(qū)還會引起監(jiān)測設(shè)備的強烈震動[2]。目前，火電廠普遍存在由于煙氣流量測點安裝位置不當(dāng)造成測量值準(zhǔn)確性差的問題。數(shù)值模擬作為一種成熟的研究技術(shù)在電站鍋爐流場分析中得到了廣泛的應(yīng)用[3，4]。

1 計算模型及邊界條件

1.1 計算模型

數(shù)值計算的物理模型采用實際的凈煙氣煙道的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，計算區(qū)域為從脫硫系統(tǒng)的煙氣換熱器（GGH）出口連接處到煙囪煙道連接處的凈煙氣煙道的連接面，計算模型如圖1 所示。從圖1 中可看出，煙氣自GGH 流出后至下行煙道，經(jīng)轉(zhuǎn)彎至下部水平煙道，再轉(zhuǎn)彎至上行煙道，進一步轉(zhuǎn)彎至上部水平彎曲煙道，最后至煙囪煙道連接處。

計算模型采用煙道的實際結(jié)構(gòu)尺寸，其中的坐標(biāo)軸為：X 向基本為煙氣的主流方向，零點設(shè)定在GGH出口煙道的軸線處；Y 向為高度方向，坐標(biāo)值采用工程實際的標(biāo)高數(shù)值；Z 向為煙道的深度方向，零點設(shè)定在下部水平煙道的軸線位置。本文中所指的下部煙道包括了GGH 后下行煙道、轉(zhuǎn)彎、下部水平煙道及進一步轉(zhuǎn)彎后的上行煙道；上部水平彎曲煙道則主要是指下部上行煙道轉(zhuǎn)水平后的、為適應(yīng)煙囪位置的水平彎曲煙道。

圖1 凈煙氣煙道流場計算區(qū)域示意圖

采用k-ε 雙方程湍流模型來模擬煙道內(nèi)氣相湍流流動，其控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、k 方程、ε 方程。若不考慮熱交換的單純流場問題，則不需要包含能量方程[5]。上述控制方程可表示為如下通用形式：

在三維直角坐標(biāo)系下，k-ε 雙方程模型的控制方程如下：

式（1，2）中：Φ為待求解的物理量；Γ為擴散系數(shù)；div（ρVΦ）為對流項；div（ΓgradΦ）為擴散項；S為源項。對于特定意義的Φ，具有特定的量Γ 和S。在通用形式方程中，當(dāng)Φ 分別為1，U（u，v，w），k，ε時，分別對應(yīng)連續(xù)性方程，動量方程，k 方程和ε 方程。

1.2 邊界條件

按照設(shè)計煙氣量1 012 604 Nm3/h 和50%設(shè)計煙氣量共進行了2個工況條件的數(shù)值計算，煙氣溫度按照設(shè)計值80℃計算。入口采用流量邊界條件，出口采用壓力邊界條件，壓力按照設(shè)計值給定，設(shè)定煙氣流動與壁面無滑移且壁面按絕熱處理。收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為10-4。為簡化計算，視煙氣為單一氣體，不考慮不同煙氣成分對計算結(jié)果的影響。

2 數(shù)值計算結(jié)果

2.1 凈煙氣煙道內(nèi)流場特性分析

凈煙氣煙道在100%設(shè)計煙氣量工況下的流場分布如圖2、圖3 所示。其中，圖2為煙道流場速度分布立體圖，以下部水平煙道軸線垂直面和上部水平彎曲煙道的3個不同標(biāo)高水平面上的速度分布來反映整個煙道內(nèi)的速度分布情況；圖3為凈煙氣煙道內(nèi)流場速度矢量分布圖。

圖2 設(shè)計煙氣流量工況下煙道流場速度分布立體圖

圖3 煙道流場速度矢量分布圖

從圖2 和圖3 可以看出，煙道內(nèi)的速度場整體情況：GGH 后煙道下行轉(zhuǎn)彎進入下部水平煙道后，煙氣速度趨于均勻；煙氣繼續(xù)流動經(jīng)水平轉(zhuǎn)垂直轉(zhuǎn)彎后，在上行過程中，除彎頭局部出現(xiàn)低速區(qū)域外，速度也較均勻；但在煙氣再轉(zhuǎn)水平流動時，由于垂直轉(zhuǎn)水平轉(zhuǎn)彎和為適應(yīng)煙囪布置的煙道水平彎曲的存在，導(dǎo)致這水平轉(zhuǎn)彎煙道開始前的上部轉(zhuǎn)彎區(qū)（圖2、圖3 中的左上角）出現(xiàn)一個低速回流渦流區(qū)；此后由于煙道的2個連續(xù)轉(zhuǎn)彎和上部水平彎曲煙道的尺寸較短，導(dǎo)致整個上部水平彎曲煙道內(nèi)速度分布嚴重不均勻。

凈煙氣煙道局部截面上速度分布情況如圖4—6所示。其中，圖4為下部煙道軸線垂直面（Z=0）上的速度分布，圖5為上部水平彎曲煙道軸線水平面（標(biāo)高Y=12 000 mm）上的速度分布，對應(yīng)下部煙道，圖6 則為下部水平煙道中部（X=7200 mm 處）垂直X 軸的截面、上行煙道（X=11 526 mm 處）垂直X 軸的截面上和煙道出口垂直面上的速度分布，以反映煙道在Z 向上速度分布的均勻性。

圖4 下部煙道軸線垂直面（Z=0）上的速度分布

圖5 上部水平轉(zhuǎn)彎煙道軸線水平面（Y=12 000 mm）上的速度分布

圖6 下部水平煙道（X=7200 mm）和上行煙道（X=11 526 mm）處垂直截面上和煙道出口的速度分布

從圖4 和圖5 可以看出，在上部水平彎曲煙道內(nèi)側(cè)、上部出現(xiàn)高速區(qū)，而外側(cè)、下部出現(xiàn)低速區(qū)。從圖6可以看出，為了適應(yīng)煙囪的布置，通往煙囪的彎曲煙道尺寸較短，從而導(dǎo)致這種不均勻分布一直延續(xù)到出口面。對于下部煙道及其后轉(zhuǎn)彎上行煙道，煙氣速度分布基本是均勻的。分析100%設(shè)計煙氣量工況下的流場分布可知，凈煙氣煙道下部速度分布較均勻，速度最均勻的區(qū)域出現(xiàn)在該段的中部水平煙道區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)煙氣速度變化較小，在15～18 m/s 范圍內(nèi)；上部水平彎曲煙道內(nèi)煙氣經(jīng)歷3 次轉(zhuǎn)向后，在煙道垂直截面上的速度分布嚴重不均；煙道中各彎頭的圓弧過渡處都不同程度的出現(xiàn)了局部低速或高速區(qū)。

2.2 不同煙氣量對煙道內(nèi)速度分布的影響

為了反映不同煙氣量對凈煙氣煙道內(nèi)流場分布的影響，本文對50%設(shè)計煙氣量工況下煙道內(nèi)流場進行數(shù)值模擬。該工況下煙道流場速度分布立體圖如圖7所示。為與圖2 進行對照比較，圖7 同樣給出下部水平煙道軸線垂直面和上部水平彎曲煙道的3個不同標(biāo)高水平面上的速度分布情況。

對于50%設(shè)計煙氣流量的計算工況，計算結(jié)果顯示，除速度的數(shù)值外，計算得到的煙道內(nèi)速度分布總體上與設(shè)計煙氣流量工況（圖2）幾乎一致，可以看出，煙氣流量的變化對煙道內(nèi)的速度分布影響很小。

3 結(jié)束語

（1）下部水平煙道速度分布相對較均勻，速度最均勻的區(qū)域出現(xiàn)在該段的中部水平煙道區(qū)域；上部水平彎曲煙道內(nèi)煙氣經(jīng)歷3 次轉(zhuǎn)向，在煙道垂直和水平方向的速度分布都不均勻。

圖7 50%設(shè)計煙氣流量工況下煙道流場速度分布立體圖

（2）煙氣流量的變化對煙道內(nèi)的速度分布影響不大，煙氣流量從設(shè)計流量減少50%，除速度數(shù)值外，煙道內(nèi)的速度分布幾乎一致。

（3）通過對某電廠脫硫系統(tǒng)后凈煙氣煙道內(nèi)流場的數(shù)值計算分析發(fā)現(xiàn)，在該煙道下部水平煙道段中部安裝煙氣流量測點相對較好。

（4）通過數(shù)值模擬計算結(jié)果可以合理選擇煙氣流量測點，從而提高煙氣流量測量精度。

[1]王萬林，齊小娟.火電廠煙氣排放流量測量方法研究[J].浙江電力，2009(6)：17-19.

[2]白江文，魏 威，周 強，等.煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)及其常見故障分析處理[J].江蘇電機工程，2011，30(3)：78-80.

[3]鄒 磊，高小濤，黃 磊.基于CFX的爐內(nèi)空氣動力場的數(shù)值模擬研究[J].江蘇電機工程，2009，28(4)：81-84.

[4]陳 雯，于向軍.基于FLUENT的風(fēng)粉管道風(fēng)速流場模擬[J].江蘇電機工程，2008，27(6)：72-75.

[5]王福軍.計算流體動力學(xué)分析CFD 軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：7-11.