300 MW機組鍋爐低省改造后煙道流場特性數值模擬

陳　凱，陳　剛

(1. 上海電力建設啟動調整試驗所，上海　200031；2.山東藍想環境科技股份有限公司，山東 安丘　262100)

火電機組發電量目前占我國總發電量的70%以上，燃煤電站鍋爐設計排煙溫度在120～140℃，其熱量損失達到電站輸入熱量的3%～8%，鍋爐煙氣余熱回收和利用可以顯著提升鍋爐效率，提高經濟效益[1]。特別是投產年限較長的300 MW機組，在除塵器前加裝低溫省煤器可以有效降低鍋爐排煙溫度，達到節能減排的目的[2]。

除塵器前煙道內氣流分布條件對低溫省煤器效率有較大影響，同時會影響到除塵器效率[3]。文獻[4]通過模化試驗研究了加裝不同導流裝置方案的前煙道均流效果。文獻[5]等基于Fluent軟件，診斷其存在的問題并提出不同的改造方案降低煙道內阻力。文獻[6]針對除塵器區低溫省煤器進行數值研究，分析了加裝低溫省煤器后煙道內流場分布，但并沒有提出對煙道內流場改造的方案。文獻[7，8]采用了數值模擬的方法對除塵器前煙道流場進行三維數值研究，并根據分析結果進行煙道優化設計。

本文針對300 MW電站鍋爐除塵器煙道，采用CFD方法對煙道內流動特性進行數值模擬研究。針對原方案流速不均、磨損嚴重等問題提出優化方案，為電站工程改造提供參考。

1　物理模型及數值方法

1.1　物理模型

本文研究對象為某300 MW電站鍋爐，其煙道三維模型如圖1所示，包括入口煙道、1-4彎頭、低溫省煤器、除塵器。針對改造前后煙道氣流特性和優化效果開展數值模擬研究。計算網格采用ICEM 14.0軟件劃分，網格采用結構化網格。

圖1　物理模型

1.2　數值計算方法

采用Fluent14.0軟件對電除塵前煙道內流場進行數值研究，本文采用RNG k-e湍流模型。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

湍動能方程：

(3)

湍動能耗散方程：

(4)

式中ui——流體平均速度；p——流體壓力；fi——沿i方向的質量力；ρ——水的密度；υ——水的運動粘性系數；υi——渦粘性系數；Cμ取0.084 5；C1ε、C2ε——模型常數，分別取1.42、1.68；σk、σε——方程的Prandtl數，同時取1.39。

連續方程、動量方程采用二階迎風格式；采用SIMPLE算法對控制方程進行離散求解。近壁面采用標準壁面函數處理。邊界條件設置：入口設置煙氣平均速度；出口為自由出流；壁面粗糙度厚度取為0.5 mm。

1.3　導流板設計

首先對煙道內未加低溫省煤及導流板的流場進行數值模擬。然后根據煙道內氣流均勻情況，在不同的位置設置導流板，使得煙道內氣流分布均勻。同時在布置低溫省煤器后，根據模擬的結果對煙道內的導流方案進行優化設計，最終采用導流板的安裝位置、數量以及形狀如圖2所示。

圖2　導流板設計方案

1.4　網格獨立性驗證

采用ICEM 14.0軟件對煙道進行網格劃分，應用結構化/非結構化混合網格技術，對除塵器區、煙道壁面及導流板壁面進行局部加密。在計算過程中通過逐步細化網格，劃分了5種不同的網格體系。在無導流板時，對于不同的網格數量，計算煙道1中的壓降，計算結果如圖3所示。由圖3中能夠看出，隨著網格數量的增加，煙道1內壓降已基本不再變化，因此最終網格數量為300萬左右。

圖3　網格獨立性驗證

2　計算結果分析

2.1　無導流板時流場特性

煙道整體速度矢量圖如圖4所示。由圖4能夠看出，在整個通道中存在速度不均勻現象。在第1彎頭的拐角處，速度最高，局部達到30 m/s左右，煙氣高速沖刷墻壁，不僅造成通道內流場強烈的不均勻，同時對壁面的磨損嚴重。在除塵器前同樣存在著流場不均勻現象，煙道中存在較多的低速區域，對除塵器性能造成嚴重的影響。

圖4　煙道速度矢量圖

圖5給出了煙道縱截面速度分布。由圖5能夠看出，在第1彎頭和第2彎頭的內拐角處速度較高，煙氣由豎直煙道經過第2彎頭后流場分布不均，第2彎頭出口上部速度最高位14 m/s，在下部存在一片低速區域，速度僅為4 m/s，煙氣流場的紊亂，將會增加除塵器電耗，同時影響除塵器安全運行。

圖5　煙道縱截面速度分布

煙道橫截面速度分布如圖6所示。由圖6能夠看出，煙氣在進入除塵器時存在一定的氣流偏轉，煙氣的斜向沖刷容易造成冷灰斗中的二次揚程，影響除塵器的正常運行。在煙道1中，由于煙道的特殊結構，造成了進入除塵器前有大片的低速區域，速度為2 m/s，煙道內氣流分布極不均勻。

除塵器入口速度分布如圖7所示。由圖7能夠看出，兩個除塵器入口截面都存在速度偏差，在煙道1除塵器入口，最大速度出現在上壁面，最高速度達到16 m/s，煙道2除塵器入口截面速度最大處在煙道下部，最高為17 m/s。除塵器入口流場不均勻，將會影響到電除塵器對粉塵的捕獲，降低除塵效率。

圖7　除塵器進口速度分布

2.2　加裝導流板時流場特性

圖8給出了加裝導流板后煙道整體速度矢量圖。由圖中能夠看出，安裝導流板后，整個煙道內的最高速度由30.00 m/s降低為最高27.1 m/s。煙道經第1彎頭后進入豎直煙道，煙道內流場分布趨于均勻。在煙道內不存在低速區域和高速區域，安裝導流板后能夠有效均化煙道內流場，降低煙氣流速，從而降低對煙道內部低溫省煤器及除塵器內裝置的磨損，提高除塵效率。

煙道橫截面速度分布如圖9所示。原方案未加裝低溫省煤器及導流板，在煙道1和煙道2彎頭之后均出現氣流分布不均現象，在低溫省煤器區域出現嚴重的流速偏差現象，可能導致部分區域的嚴重磨損。由圖9可以看出，在加裝低溫省煤器及導流板后，除塵器前煙道氣流特性得到明顯改善，尤其是低溫省煤器區域，煙氣流速比較均勻，流量均勻分配有助于提高低溫省煤器換熱效率。

圖9　煙道橫截面速度分布

圖10給出了加裝導流板后煙道1、2除塵器進口截面速度分布圖。由圖10可知，與原方案相比，截面內煙氣流速分布均勻，速度偏差小。煙道1最大速度由16 m/s降低到14 m/s，同時截面大部分區域速度在12～14 m/s。煙道2截面速度整體分布均勻，流速在13 m/s左右。

由分析可知，加裝低溫省煤器和導流板之后，除塵器煙道內整體氣流分布特性得到有效改善，尤其是除塵器前煙道，流速分布均勻，整體運行條件良好。

圖10　除塵器進口速度分布

3　結語

(1)隨著網格數量的增加，煙道1中的壓降不再變化，數值計算采用的網格為300萬左右。

(2)除塵器前煙道中存在著強烈的速度不均勻現象，煙道中局部速度偏高，易造成煙道磨損。

(3)加裝導流板后整個系統流場均勻性得到提高，尤其是低溫省煤器區域，煙氣流速分布均勻。

參考文獻：

進入現代以來，作為知識分子的魯迅形象一直是眾多藝術家熱衷的創作對象，形成了特定的雕塑題材類型，由此涌現了大量的魯迅雕塑作品。諸如王朝聞、劉開渠、蕭傳玖、張松鶴、潘錫柔、仲兆鼎、沈文強、潘鶴、熊秉明、吳為山等雕塑家均有此類作品問世。魯迅主題雕塑的創作已成為除了毛澤東雕塑以外唯一能貫穿中國近現代雕塑史的美術現象。那么，魯迅主題雕塑的創作傳統從何而起呢？

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