基于數值模擬的除塵器入口煙道阻力特性研究

高榮偉，周 斌，許明磊

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

基于數值模擬的除塵器入口煙道阻力特性研究

高榮偉，周 斌，許明磊

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

火力發電機組除塵器入口煙道的幾何形狀不僅影響除塵器入口氣流的均勻性，同時也影響煙風系統的阻力大小。對空預器出口至電除塵器入口段煙道形狀分別采用常規矩形煙道和圓形煙道2種設計方案。采用標準k-ε湍流模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。同時，利用Fluent求解器對該段煙道的流場進行數值模擬計算，對上述2種工況的煙道阻力進行分析計算。計算結果表明：圓形煙道阻力只有矩形煙道的1/5，節能效果明顯。

除塵器；入口；煙道；阻力特性；數值模擬

0 引言

當前煙塵污染問題是制約中國可持續發展戰略實施的重大環境問題之一。火力發電廠等燃煤企業是中國最主要的煙塵排放源，也是煙塵污染治理的重點。而按照目前的排放控制水平，我國火力發電廠年排放的煙塵、二氧化硫和氮氧化物將分別達到500萬t、2 100萬t和1 000萬t以上。如果火電廠排放的大氣污染物得不到有效控制，我國將面臨十分嚴峻的大氣環境惡化問題，電力行業的可持續發展也將成為一紙空談。提高火力發電廠能源利用水平、減少污染物排放對我國的節能減排工作意義重大。因此，火力發電廠各個系統與環節的優化節能是我國未來火力發電行業節能減排的突破點。

火力發電機組除塵器入口的煙道用于連接空氣預熱器與除塵器，并將煙氣分配到除塵器各室，除塵器各室煙氣分配的均勻程度對除塵器電耗和除塵效率影響明顯[1]。該處煙道的阻力屬于局部阻力，是鍋爐設備煙風阻力的一個重要組成部分，選擇合適的流道形狀可以使除塵器入口煙氣流速均勻及阻力減小，對于提高除塵器效率及節能降耗有著重要的作用。

各種結構通道的流場速度分布及阻力特性研究一直是國內外流體力學界研究的熱門課題之一，隨著計算流體力學及計算機技術的發展，借助數值計算的方法研究流場特性已成為一種切實有效的手段。國內學者對這段煙道存在的主要問題展開了改造優化研究[2-4]。國外學者對煙道流場阻力特性也進行了很多理論研究，如Kirk等對S形通道的流場速度分布及阻力特性進行了數值模擬及實驗研究[5]。Yakinthos等使用Reynolds應力模型及渦粘兩方程模型對90°矩形通道彎管流場速度分布特性進行了數值模擬研究[6]。Haque等采用k-ε兩方程模型對火力發電廠的靜電除塵器的流場進行了數值模擬研究[7]。然而，這些學者并未就大機組除塵器入口煙道形狀對煙道阻力特性的影響展開深入研究。

為此，以下運用數值模擬方法對鍋爐空預器出口至除塵器入口段的煙道分別采用傳統矩形煙道和圓形煙道的情況下，進行三維建模，并計算分析比較2種煙道的阻力特性，以期為除塵器入口煙道的優化設計提供必要的理論指導。

1 計算模型及數值方法

1.1 煙道布置情況

某1 000 MW機組鍋爐尾部設置2臺三分倉容克式空氣預熱器，每爐配置2臺三室五電場除塵器，2臺空氣預熱器至電除塵器間煙道為對稱結構，故CFD（計算流體動力學）模型只模擬單側的煙道流動。圖1與圖2分別為該段煙道采用矩形和圓形時的平面布置圖。

圖1 矩形煙道的平面布置

圖2 圓形煙道的平面布置

1.2 計算模型

該段煙道內的流動為三維湍流問題，需借助適當湍流模型，此處采用應用較廣泛的標準k-ε模型。

式中：ρ為流體密度；t為時間；xi為i方向的位移；Fi為微單元流體所受的i方向的力；p為微單元流體的壓強；μ為流體運動粘度；xi，xj，xk分別為i，j，k方向的位移；ui，uj，uk分別為i，j， k方向的速度分量；分別為i，j方向的平均速度分量。

G為湍流生成項，其關系式為：

上述各個方程的系數值如下：Cε1=1.44，Cε2= 1.92，σk=1.0，σε=1.3。對于壁面附近的區域，采用標準壁面函數法修正。

1.3 邊界條件

入口邊界條件為來流速度充分發展且分布均勻，按煙氣量折算速度取14 m/s，溫度取130℃；將壓力出口定為出口邊界條件，取大氣壓力；煙道壁面視為絕熱壁面。

1.4 網格劃分

為了適應幾何結構特點，使用商業軟件Gambit采用四面體和六面體網格對上述2個三維模型進行網格劃分。對于一些結構復雜、難以用常規六面體進行網格劃分的區域，一律選擇Tet/Hybrid類型，并利用TGrid劃分網格。矩形煙道模型和圓形煙道模型網格劃分分別如圖3、圖4所示。矩形煙道模型網格計算單元數量約為12萬，而圓形煙道模型網格計算單元數量約為15萬。

圖3 矩形煙道網格劃分

圖4 圓形煙道網格劃分

2 阻力分布特性

2.1 矩形煙道

將上述2個三維網格模型導入商業軟件Fluent，并進行相應的邊界條件設置，其中入口邊界條件是速度入口，出口是壓力出口。邊界條件設置后，進行迭代計算。

圖5為矩形截面煙道在BMCR（鍋爐最大出力工況）工況下其系統總壓分布的數值模擬結果：系統的壓降為進口總壓與出口截面總壓的差值，分析可以得到右邊矩形截面煙道系統壓降為670.359 Pa，中間矩形截面煙道系統壓降為657.584 Pa，左邊矩形截面煙道系統壓降為633.282 Pa。

圖5 矩形煙道系統總壓分布情況

2.2 圓形煙道

圖6給出了圓形截面煙道在BMCR工況下其系統總壓分布的數值模擬結果。將進口總壓與3個出口總壓比較，可以得到大彎扭圓形截面煙道系統壓降為139.179 Pa，中彎扭圓形截面煙道系統壓降為131.904 Pa，小彎扭圓形截面煙道系統壓降為138.920 Pa。

圖6 圓形煙道系統總壓分布

從上述分析計算可以看出，常規矩形煙道的3個出口截面的壓降分別為670.359 Pa，657.584 Pa和633.282Pa；而優化后圓形煙道的3個出口截面的壓降分別為 138.920 Pa，131.904 Pa和139.179 Pa。因此，采用優化后的圓形截面煙道，其整體壓降大約只有常規矩形截面煙道整體壓降的1/5，這樣引風機電耗更少，更節能。

3 結論

采用標準k-ε模型，利用Fluent求解器對1 000 MW電站鍋爐中空預器出口至電除塵器入口段的煙道結構布置進行了數值模擬研究。研究中對煙道的結構分別采用了常規矩形煙道和圓形煙道2種設計方案。

CFD仿真結果表明，對于常規矩形截面煙道，其 3個分支煙道的總壓損分別為 670.359 Pa，657.584 Pa和633.282 Pa；而對于優化后的圓形截面煙道，其3個分支煙道的總壓損分別為138.920 Pa，131.904 Pa和139.179 Pa。因此，優化后的圓形截面煙道比常規矩形截面煙道的壓損更小，即內部阻力更小，更節能。因此，對于電除塵器前的煙道，推薦使用圓形煙道。

此外，煙道的幾何結構形狀對煙道內氣流速度的分布影響較大，而氣流均布性影響著電除塵器的除塵效率。下一步的工作將利用數值模擬技術研究不同結構形狀的煙道對氣流速度分布的影響。

[1]仇中柱，潘衛國，李芃，等.數值模擬與模化在電除塵器改造中的應用[J].華東電力，2010，38（6）∶927-930.

[2]陶克軒，常毅君，張波，等.電廠除塵器入口煙道數值模擬及改造[J].熱力發電，2011，40（1）∶52-54.

[3]劉明，孟桂祥，嚴俊杰，等.火電廠除塵器前煙道流場性能診斷與優化[J].中國電機工程學報，2013，33（11）∶1-6.

[4]李慶，楊振亞，甘罕，等.靜電除塵器煙道進口處流場的數值模擬[J].環境污染與防治，2012，34（1）∶1-4.

[5]KIRK AM，GARGOLOFF JI，REDINIOTIS OK，et al.Numerical and experimental investigation of a serpentine inlet duct[J].International Journal of Computational Fluid Dynamics，2009，23（3）∶245-58.

[6]YAKINTHOS K，LAHOSTERGIOS Z，OULAS A.Modeling the flow in a 90°rectangular duct using one Reynoldsstress and two eddy-viscosity models[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29（1）∶35-47.

[7]HAQUE SME，RASUL MG，DEEV AV，et al.Flow simula tion in an electrostatic precipitator of a thermal power plant [J].Applied Thermal Engineering，2009，9（10）∶2037-2042.

（本文編輯：陸 瑩）

Investigation on Characteristics of Precipitator Inlet Flue Duct Resistance Based on Numerical Simulation

GAO Rongwei，ZHOU Bin，XU Minglei
（Zhejiang Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Geometric shape of precipitator inlet flue duct in thermal power generating units not only affects the uniformity of precipitator inlet air flow but also the resistance of the flue duct gas system.This paper uses two design schemes for the geometrical shape of flue duct from air preheater outlet to electrostatic precipitator inlet∶one is conventional rectangular flue duct and the other is circular flue duct.Standard k-ε model is adopted，and SIMPLE algorithm is used for pressure-velocity coupling.Meanwhile，Fluent software is used for numerical simulate and calculation of flow filed of the flue duct.Additionally，the resistances of the flue duct in the above two conditions are analyzed and calculated.The calculation result reveals that the resistance of the circular flue duct is only one fifth of that of rectangular flue duct，and effect of energy saving is obvious.

precipitator；inlet；flue duct；resistance characteristic；numerical simulation

TM621.7+3

：B

：1007-1881（2016）05-0024-04

2016-02-29

高榮偉（1969），男，高級工程師，從事發電設計及經營管理工作。