某1000MW 機組低低溫除塵器改造氣流分布數值模擬實例

冀長坤，鄭玉鋒，周岳鋒，黃均

（1.華電國際鄒縣發電廠，山東 鄒城 273522；

2.浙江菲達菱立高性能煙氣凈化系統工程有限公司，浙江 杭州 310000）

1 工程基本概況

本工程為某燃煤電廠1×1000MW 機組，改造前污染物的實際排放量未達到國家規定的出口排放要求，需要對爐后環保島設備進行整體改造和增設，最終目的是使煙囪入口污染物排放達到基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2排放濃度分別不高于5mg/m3、35mg/m3的超低排放要求。

本項目針對除塵器部分的改造為對原除塵器進行低低溫提效改造，即在除塵器前煙道處加裝低溫省煤器使進入除塵器入口的煙氣溫度降到酸露點以下，以此來提高除塵器的除塵效率。原除塵器的配置為一臺爐布置兩臺三室五電場靜電除塵器，其中末電場采用旋轉電極。改造后除塵器本體結構不做改造，在每臺除塵器前煙道處布置3 臺低溫省煤器并對原除塵器進口封頭和前煙道進行優化改造。因改造后煙道部分和除塵器進口封頭部分較原來形式有較大變化，所以需要通過氣流模擬試驗來確定優化的方案。本次改造利用CFD 數值模擬方法對除塵器前段煙道和除塵器內部的流場特性進行數值模擬，根據數值模擬的計算結果確定煙道和除塵器進口氣流分布板的優化方案。

2 建立模型

2.1 物理模型

本項目1000MW 機組鍋爐采用平衡通風，在低溫省煤器和除塵器進口封頭進行選型布置后的煙道俯視圖如圖1 所示。本項目建模分空預器出口至除塵器入口段和除塵器入口至除塵器出口段兩部分，空預器出口至除塵器入口段用于設計煙道處導流板保證進入各個低溫省煤器的氣量均衡，除塵器入口至除塵器出口段用于設計進口氣流分布板保證除塵器單個室內的氣流均勻分布于有效收塵面積中。

由于煙道、低溫省煤器、除塵器內的零部件較多，難以建立精確的幾何模型。

在滿足工程要求的前提下，為方便模型計算對結構進行了如下適當簡化。

（1）對流場影響較小的內部構件（如內撐桿、加強筋、膨脹節等）忽略不計。

圖1 煙道布置俯視圖

（2）認為管道各部件之間的連接完好無缺陷。

（3）導流板厚度和管道壁厚相對管徑均小很多，因此忽略不計。

（4）將煙氣視為不可壓縮流體。

根據實際煙道相關數據，利用三維設計軟件建立煙道1：1 幾何模型，因空預器出口至除塵器入口處煙道結構左右對稱，故模擬時可僅考慮一半，選擇右側煙道為研究對象。因除塵器各個室的結構一致，故模擬時可僅考慮一個室作為研究對象。

2.2 網格布置

采用CFD 軟件對模型進行網格布置。根據煙道出入口和導流板的形狀，并考慮煙氣在煙道中的流動情況，劃分網格時對內部導流板和轉彎煙道附近進行局部加密。采用六面體和楔形混合網格進行劃分。雅可比行列值大于0.3，網格的扭曲變形量得以合理控制，整體網格質量較好。

2.3 物性參數與邊界條件

因考慮粉塵粒徑較小，計算中將煙氣視作不可壓縮流體，假設煙氣流動過程中恒溫、不考慮飛灰影響。空預器出口至低溫省煤器出口段煙道的邊界條件設為自由出流，3 個出口處的煙氣流量之比1：1：1。除塵器進出口段進口采用速度進口邊界條件、出口采用壓力出口邊界條件、進口氣流分布板采用多孔介質模型、進口喇叭處的導流片、內部件等均采用固體壁面邊界條件。

3 模擬結果與煙道優化方案

3.1 空預器出口至低溫省煤器出口段煙道

空預器出口至低溫省煤器出口段煙道中加裝了低溫省煤器后煙道形式發生了改變，煙道的垂直煙道處煙氣流速下降較快，內外側流速差異較大；水平三個出口中局部區域出現渦流，三個出口流速差異較大。以上情況會導致局部地區積灰嚴重，煙道磨損加劇，并使進入除塵器的三個煙道流量分布不均。為避免上述情況的發生，首先考慮利舊原有煙道通過加裝導流板進行流場的優化（在加裝導流板后始終不能達到要求時需要重新設計煙道），可以看出，煙道優化后，其內部整體流場分布比較均勻，三個出口流速差異減緩，垂直段煙道氣流偏轉無法消除，但偏轉程度減緩。從計算結果得出煙氣到3 個室的氣量分別為32.8%、33.3%、33.9%，氣量分配相對均衡。

除塵器進口封頭前煙道加裝低溫省煤器后煙氣阻力增加對除塵器的入口處的煙氣均布有利，但是考慮到煙道尺寸要發生變化，除塵器進口封頭要做相應擴口改造，導致煙氣走向往不均勻方向發展，影響除塵效率。

3.2 除塵器進出口段

需要重新對進口氣流分布板進行設計并合理布置導流板。經過不斷的調整導流板的位置，最終的煙氣速度分布云圖、速度矢量圖和氣流分布板布置圖。根據模擬計算的結果，加裝了進口孔板和導流葉片后的進口氣流分布板的布置方式，使進入電除塵器一電場入口端界面氣流相對均方根差為0.158，說明該氣流分布板布置方案能夠滿足本工程的改造需要。

3.3 改造后除塵器效果

本工程除塵器改造前經過低低溫改造后已投入運行，到目前為止尚未進行性能測試。但是從DCS 反映的在線監測數據可以看出改造后的效果明顯。

4 結語

（1）采用CFD 模型的計算方法，通過合理建模，合理設置邊界條件，可以較準確的模擬煙道內的煙氣流動，為改造工程中煙道治理方案制定的正確性進行提前的預判。

（2）目前類似的低低溫改造工程越來越普遍，要想達到預期的減排目標，除了合理的設備選型，進行氣流模擬試驗是非常有必要的。通過流場的優化使進入各個低溫省煤器前的氣量進行均衡分配、使進入除塵器的氣流更加均勻的分布于有效收塵面積中，從而提高各個設備的高效率運行，最終達到污染物的超低排放要求。