火力發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)出口煙氣系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化研究及應(yīng)用

李東民，張貞，逄紹健

(1.中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.廣東省輻射監(jiān)測(cè)中心，廣州 510300)

0 引言

目前，電廠業(yè)主為了降低建廠成本，不斷壓縮整體布置空間，鍋爐輔機(jī)及相應(yīng)的煙風(fēng)道布置空間緊湊。遵循國家規(guī)程、規(guī)范且受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的影響，在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，普遍存在T型對(duì)沖匯流、矩形煙道風(fēng)箱式布置、整體布置彎頭數(shù)多、路徑長等現(xiàn)象，造成了煙風(fēng)道建設(shè)初期耗材大及機(jī)組運(yùn)行時(shí)沿程阻力大、局部流場(chǎng)混亂、易振動(dòng)和噪音大等嚴(yán)重問題，使建設(shè)初投資大及運(yùn)行時(shí)相應(yīng)風(fēng)機(jī)能耗大，浪費(fèi)嚴(yán)重。本文對(duì)新型圓形雙管偏心匯流技術(shù)、新型圓形煙道及全新設(shè)計(jì)理念進(jìn)行研究，并分析其在華能汕頭電廠的應(yīng)用情況。

1 研究的主要內(nèi)容及技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 研究的主要內(nèi)容

火力發(fā)電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)出口至煙氣換熱器(GGH)入口處的煙道優(yōu)化技術(shù)。

1.2 研究的技術(shù)基礎(chǔ)

1.2.1 技術(shù)路線

(1)突破傳統(tǒng)煙道設(shè)計(jì)觀念影響，建立新型的圓形煙道理念，然后利用先進(jìn)的《煙風(fēng)煤粉管道三維設(shè)計(jì)軟件》對(duì)引風(fēng)機(jī)出口至脫硫吸收塔入口段煙道進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)建模，具體就是根據(jù)不同工程的約束條件任性建立以新型圓形雙管偏心匯流管為核心的煙道整體模型。

(2)對(duì)煙道整體模型采用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬，模擬過程包括幾何模型的建立、邊界條件的選取、計(jì)算模型的選擇、控制參數(shù)的選取、求解離散方程和數(shù)據(jù)的后處理等。

1.2.2 相關(guān)條件

(1)邊界條件。數(shù)值計(jì)算的邊界條件與算法見表1，相關(guān)參數(shù)確定如下。

1)入口邊界速度uin=qV/A，vin=0，win=0，式中：qV為入口煙氣流量；A為入口截面積。

2)入口k-ε值

式中：uavg為入口煙道平均流速；I為湍流強(qiáng)度，湍流脈動(dòng)速度的均方根與平均流速之比；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；l為湍流尺度，通常用0.07L表征，L為煙道入口的水力直徑。

3)出口條件：根據(jù)本文邊界設(shè)置，可設(shè)出口邊界值與相鄰內(nèi)節(jié)點(diǎn)值相等。

4)壁面邊界條件：本文所采用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只適用于大雷諾數(shù)的完全湍流區(qū)域，對(duì)于近壁的黏性層，由于雷諾數(shù)很小，理論上標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是不適用的。就目前發(fā)展情況來看，一般采用壁面函數(shù)法來處理近壁湍流問題。壁面函數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于可將大雷諾數(shù)的k-ε模型推廣到近壁區(qū)小雷諾數(shù)區(qū)域。

表1 邊界條件及算法

(2)收斂條件。由于模擬過程中涉及變數(shù)很多，所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為最后一次迭代的殘值與第2次迭代的殘值比小于10-4。

2 傳統(tǒng)矩形設(shè)計(jì)與優(yōu)化圓形技術(shù)方案對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)矩形布置形式[1-2]

改造前為傳統(tǒng)矩形布置形式，引風(fēng)機(jī)A、引風(fēng)機(jī)B的出口通過2個(gè) 90° 矩形急轉(zhuǎn)彎后，兩側(cè)對(duì)沖式匯流至主煙道，接著經(jīng)過 90° 矩形急轉(zhuǎn)彎進(jìn)入增壓風(fēng)機(jī)，增壓風(fēng)機(jī)出來后再經(jīng)過 90° 矩形急轉(zhuǎn)彎進(jìn)入GGH入口處彎頭，具體如圖1所示。為了取得其阻力數(shù)據(jù)和流場(chǎng)分布，根據(jù)第1章設(shè)定條件，將引風(fēng)機(jī)出口流速設(shè)定為15 m/s，采用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬，模擬結(jié)果(僅模擬至增壓風(fēng)機(jī)入口)如圖2所示。

圖1 引風(fēng)機(jī)出口煙道改造前布置形式

圖2 優(yōu)化前數(shù)值模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果中可以直觀地發(fā)現(xiàn)：匯流處前后全壓分界明顯，道體內(nèi)壓力分布和速度分布極不均勻，渦流區(qū)域明顯，壓力損失大。對(duì)進(jìn)、出口截面壓力取差值：Δp=288-(-247)= 535(Pa)，而該段煙道阻力實(shí)測(cè)值折算至鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況約700 Pa，實(shí)測(cè)值大于模擬值，且壓力損失巨大。

2.2 優(yōu)化后圓形技術(shù)方案[1-2]

應(yīng)用新型圓形雙偏心匯流管和新型圓形煙道技術(shù)，結(jié)合全新設(shè)計(jì)理念優(yōu)化后布置方式：引風(fēng)機(jī)A和引風(fēng)機(jī)B的出口通過2個(gè)30°的圓形緩轉(zhuǎn)彎后，再利用新型圓形雙管偏心匯流技術(shù)順流匯流至主管煙道，然后再經(jīng)過 90° 圓形緩轉(zhuǎn)彎頭后接至GGH入口處彎頭，具體如圖3所示。為了取得其阻力數(shù)據(jù)和流場(chǎng)分布，根據(jù)第1章設(shè)定條件，將引風(fēng)機(jī)出口流速設(shè)定為15 m/s，采用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬，模擬結(jié)果(模擬至GGH入口拐彎處)如圖4所示。

圖3 引風(fēng)機(jī)出口煙道改造后布置形式

圖4 優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果中可以直觀地的發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后的技術(shù)方案匯流處前后全壓分布和速度分布都較為均勻，渦流區(qū)域不明顯，壓力損失小。對(duì)匯流前后的截面壓力取差值：Δp=231-168=68(Pa)，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為61 Pa，與模擬值比較接近。

2.3 方案對(duì)比

根據(jù)以上分析，并結(jié)合華能汕頭電廠應(yīng)用后的耗材統(tǒng)計(jì)情況，得出2種方案阻力損失、流場(chǎng)分布、耗材等方面的對(duì)比情況見表2。

表2 2種技術(shù)方案對(duì)比

3 優(yōu)化技術(shù)路線核心構(gòu)件分析

本文所研究優(yōu)化路線的核心構(gòu)件為：新型圓形雙偏心變徑匯流管，其結(jié)構(gòu)由兩個(gè)圓形偏心的變徑大小頭相互之間干涉產(chǎn)生(其中，大小頭氣流入口端直徑與單側(cè)引風(fēng)機(jī)出口后主煙道直徑一致，大小頭出口端直徑與兩側(cè)引風(fēng)機(jī)出口匯合后的總煙道直徑一致)，如圖5所示。設(shè)計(jì)時(shí)為了能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出該核心構(gòu)件的阻力，用于系統(tǒng)煙風(fēng)道阻力核算，需要對(duì)該核心構(gòu)件進(jìn)行多次不同匯流夾角的模擬(模擬結(jié)果見表3)，然后根據(jù)模擬結(jié)果擬合出其阻力計(jì)算方程

Δp=[(0.5α-9)-646.5](ρω2/2) ，

式中：Δp為壓力損失；α為匯流夾角；ρ為流體密度；ω為入口流速。該公式?jīng)]有考慮管徑等因素，推廣到其他工況可能需要進(jìn)行驗(yàn)算。

圖5 新型圓形雙偏心變徑匯流管

流速/(m·s-1)匯流夾角/(°)阻力損失/Pa15402.415361.915321.515281.115240.6

4 實(shí)例驗(yàn)證

華能汕頭電廠3臺(tái)機(jī)組改造后煙風(fēng)道運(yùn)行阻力下降超過80%，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)阻力由原來的約1 000 Pa下降至100 Pa以下，引風(fēng)機(jī)電流下降100 A以上，故采用新型圓形雙管偏心匯流技術(shù)、新型圓形煙道及全新設(shè)計(jì)理念來優(yōu)化煙風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能有重要意義。

5 結(jié)束語

在電力設(shè)計(jì)上，火力發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)出口煙風(fēng)道技術(shù)方案是至關(guān)重要的一部分，不僅直接影響電廠占地、耗材等初投資，還影響投運(yùn)后機(jī)組運(yùn)行時(shí)引風(fēng)機(jī)電流大小，進(jìn)而影響機(jī)組廠用電等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。采用新型圓形雙管偏心匯流技術(shù)、新型圓形煙道及全新設(shè)計(jì)理念來優(yōu)化煙風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)大膽突破傳統(tǒng)觀念的影響，堅(jiān)持以創(chuàng)新為導(dǎo)向?qū)﹀仩t煙風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要，且鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)節(jié)能、環(huán)保具有重要意義。