1 000 MW電站鍋爐布袋除塵器入口煙氣流場優(yōu)化數值模擬

王禮鵬，繩冉冉，安敬學，程金武，王磊

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

0 引言

電力工業(yè)是國民經濟的基礎行業(yè)，是衡量一個國家發(fā)展水平的重要標志。隨著科學水平的不斷提高，火電機組也向著大容量、高參數以及自動化程度更高的方向發(fā)展。大容量、高參數火力發(fā)電機組的投運提高了機組運行經濟性，但大通道煙道內煙氣流場分布均勻性問題卻日益突出。煙道結構以及煙道內導流板布置形式是煙氣流場分布均勻性的重要影響因素，因此，結合數值模擬研究煙道導流板的優(yōu)化布置并進行改造實踐，對進一步提高煙氣流場分布的均勻性具有重要意義。

目前，國內對燃煤電站鍋爐煙氣流場優(yōu)化的研究多集中在選擇性催化還原(SCR)脫硝導流板結構設計[1]，SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場優(yōu)化數值模擬[2-8]和爐內溫度場[9]、氣固流場優(yōu)化的數值模擬研究[10-11]。文獻[12]按照10 ∶1的比例搭建了SCR脫硝試驗臺，在冷態(tài)條件下研究了導流板布置方式對煙氣流動特性、壓力分布及反應物混合效果的影響，并確定了最佳布置方案。Xu Y Y[13]等采用現(xiàn)場試驗的方法，對首層催化劑入口進行測試，分析造成磨損的原因。結果顯示SCR煙氣入口流場分布不均勻是造成磨損的主要原因。之后在煙氣入口處設置了一系列導流板來改善流場分布，防止催化劑磨損。哈爾濱工業(yè)大學陳太平[14]采用FLUENT軟件對SCR脫硝裝置進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)反應器內流場分布很不均勻，通過在拐彎及變截面處設置4組導流裝置，使得首層催化劑入口速度標準偏差降至10%以下。文獻[15]研究了“弧”型和“直-弧-直”型導流板對SCR反應器內流場分布的影響，結果發(fā)現(xiàn)“直-弧-直”型導流板的優(yōu)化效果更佳。但上述文獻均沒有涉及布袋除塵器入口煙氣流場優(yōu)化的研究，本文通過數值模擬的方法對布袋除塵器入口煙氣流場分布均勻性差問題進行研究。

1 數值模擬

某1 000 MW燃煤電站鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司制造的HG-2913/29.3-YM2型超超臨界參數變壓直流爐，是一次再熱、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π形鍋爐。鍋爐煙氣經脫硝出口進入空氣預熱器(以下簡稱空預器)，從空預器出口經U形彎進入除塵器。進入除塵器之前，煙道被分為7個分支。

該鍋爐配3臺布袋除塵器，每臺布袋除塵器在順氣流方向上有4個獨立的除塵室，每個室含有2個除塵袋束，共24個袋束。每個袋束最大過濾面積為4 140 m2，整臺除塵器總過濾面積為99 360 m2。除塵器清灰壓力為0.085～0.095 MPa。濾袋以同心圓狀布置，采用動態(tài)清灰方式。布袋除塵器具體結構如圖1所示，其中B3，B4本為同一煙道，受就地支柱影響，分為兩個，此處合為一個煙道B3處理。

該鍋爐自2015年投入運行以來，除塵器入口煙道煙氣流速及溫度分布始終存在較大偏差，2017年8月除塵器入口煙道煙氣速度、溫度測試均值見表1(測試時一個煙道5個測孔，一個測孔3個深度，此處取均值)。

結果表明：除塵器入口煙道煙氣速度均值最大偏差已達4.39 m/s，煙氣溫度均值最大偏差已達26 ℃，且布袋除塵器入口煙道煙氣溫度最高達163 ℃，已超出“濾袋允許連續(xù)使用溫度≤160 ℃”的控制要求，過高的煙氣溫度使得布袋除塵器入口噴水降溫系統(tǒng)啟動，進而造成糊袋現(xiàn)象。布袋除塵器入口煙氣流場均勻性差已嚴重影響布袋除塵器的安全、高效運行。

為查找布袋除塵器入口煙氣流場均勻性差的根源，查得2018年4月空預器出口煙氣溫度場的測試結果(如圖2所示，其中A1—B16為爐右到爐左)，可以看出，在空預器出口，煙道內煙氣溫度分布已經出現(xiàn)了較大偏差。

1.1 模型建立

為改善布袋除塵器入口煙道煙氣流場分布的均勻性，結合實際測試情況，基于現(xiàn)場煙道結構進行模型建立，入口邊界確定在空預器出口煙道測孔處，出口邊界選取在布袋除塵器入口煙道測孔處。

按實際尺寸1∶1建立A，B側煙道模型，如圖3所示。由于空預器出口處煙氣溫度分布不均勻，為保證分析煙道部分入口截面邊界條件的設定更貼合實際，將A，B兩側煙道的入口平分為8份。兩側煙道溫度分布云圖及試驗采樣測點平面等溫線圖如圖4所示。原始結構下除塵器前煙道全流程計算流體動力學(CFD)仿真采用湍流模型。

表1 布袋除塵器入口各煙道煙氣參數測試結果Tab.1 Test results of flue gas parameters at entrance of each bag filter duct

1.2 原始結構下的模擬結果

1.2.1 兩側煙道溫度場模擬結果

由圖4可以看出，從空預器出來的煙氣溫度場分布不均勻，高溫煙氣直接進入A3，B1截面，造成A3，B1截面煙氣溫度較高，而低溫煙氣沿煙道進入A1，A2，B2，B3、B4截面，造成各截面煙氣溫度分布不均勻。A3—A1各試驗采樣測點處截面的平均溫度分別為134.07，122.20，119.93 ℃；B1—B3各試驗采樣測點平面截面的平均溫度分別為145.25，123.78，117.81 ℃。

圖1 布袋除塵器入口各煙道與布袋除塵器對應關系示意

Fig.1 Corresponding relationship between the bag filters and flue gas ducts at the entrance of filters

圖3 兩側煙道幾何模型

Fig.3 Geometry models on both sides of flue gas duct

圖2 空預器出口煙道煙氣溫度分布

Fig.2 Flue gas temperature distribution at theexit of the air preheater

1.2.2 兩側煙道速度場模擬結果

圖5為原始結構下兩側煙道速度分布云圖及試驗采樣測點平面截面速度分布云圖。由數值計算結果可觀察到：A3，B1試驗采樣測點平面流速較大；在寬度方向上，A1，A2煙道煙氣速度從A側到B側呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；在寬度方向上，B2，B3煙道煙氣速度從A側到B側呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，與試驗測試結果一致。統(tǒng)計A3—A1各試驗采樣測點平面截面的平均流速分別為11.84，7.39，13.17 m/s；B1—B3各試驗采樣測點平面截面的平均流速分別為12.98，9.71，13.80 m/s。速度分布均勻性很差，易造成除塵器入口均布板磨損、除塵效率下降等問題。

同時還統(tǒng)計了A，B側煙道進出口總壓降分別為152.10，237.24 Pa。

2 方案選取

在燃煤電站鍋爐煙氣流場優(yōu)化治理實踐中發(fā)現(xiàn)，加裝不同類型的導流板可有效改善不同結構煙道中煙氣流場均勻性差問題。本方案基于原始結構下煙道煙氣流場的實測和數值模擬結果，通過添加不同功能的導流裝置，解決布袋除塵器入口煙氣流場偏差大的問題。

以B側煙道為例，首先考慮到布袋除塵器入口各煙道煙溫偏差過大，在煙道進口(空預器出口)處高溫側布置一斜導流板(50°)，擾動高溫煙氣向低溫煙氣流動，在U形煙道的最低側設置6塊向高溫煙氣側傾斜的直導流板(47°)，使得低溫煙氣向高溫煙氣側傾斜，而高溫煙氣遇到煙道壁之后改變流向，向低溫煙氣側流動，從而達到冷熱煙氣的摻混作用；其次，考慮到布袋除塵器入口各煙道煙氣速度偏差(從表1可以看出，B2煙道因處于緩沖煙道下方，整體煙氣速度低；B2，B3，B4煙道煙氣速度呈現(xiàn)典型的A側低、B側高的特點)，在B2除塵器所在煙道入口處設置弧形橫導流板，在B2和B3除塵器入口煙道的A側分別設置弧形與直板相結合的導流板，在B4除塵器入口煙道設置弧形導流板，以改善B2煙道煙氣速度低、B2—B4煙道A側煙氣速度小、B側煙氣速度大等問題。A側煙道導流板加裝原理類似，具體設計如圖6所示。

圖4 原始結構下兩側煙道溫度分布云圖及試驗采樣測點平面等溫線圖

Fig.4 Temperature distribution cloud map on both sides of flue gas duct under original structure andplane isotherm diagram of the sampling point

圖5 原始結構下兩側煙道速度分布云圖及試驗采樣測點平面速度等值線圖

Fig.5 Velocity distribution cloud map on both sides of flue gas duct under original structure and the planevelocity contour map of the sampling point

3 優(yōu)化后的數值模擬結果

通過數值模擬，提取優(yōu)化前、后A，B側煙道平均速度及平均溫度，見表2。由表2可以看出：A側各除塵器入口截面(即試驗測點截面)的速度偏差由5.78 m/s降至1.12 m/s，溫度偏差由 14.14 ℃降至1.29 ℃，進口與試驗采樣測點平面的總壓降為223.30 Pa，比原結構增加71.20 Pa；B側除塵器入口截面的速度偏差由4.09 m/s降至1.88 m/s，溫度偏差由27.44 ℃降至1.90 ℃，進口與試驗采樣測點平面的總壓降為329.68 Pa，比原結構增加92.44 Pa。從計算結果可以看出，該方案能有效解決煙溫偏差過大和速度分布不均勻問題。

圖6 空預器出口至除塵器入口段導流板加裝方案示意

Fig.6 Schematic of the installation of the air deflector between the outlet of the preheater to the inlet of the precipitator

表3 改造前、后布袋除塵器入口煙氣參數對比Tab.3 Comparison of smoke parameters at the inlet of the bag filter before and after the transformation

表2 A，B側煙道優(yōu)化前、后速度與溫度對比Tab.2 Comparison of velocity and temperature before and after optimization on A and B side flue gas duct

4 改造前、后測試情況對比

改造前的除塵器入口煙氣流場測試在910 MW負荷下進行，改造后在的流場測試在1 000 MW負荷下進行。

從表3可以看出：布袋除塵器入口6個煙道之間煙氣速度均值最大偏差由4.39 m/s減小為1.37 m/s，煙氣溫度均值最大偏差由27.11 ℃減小為4.78 ℃；3臺布袋除塵器入口煙氣量占比最大偏差由7.16%減小為4.10%，煙氣溫度均值最大偏差由22.72 ℃減小為0.83 ℃。煙氣速度、煙氣溫度在6個煙道和3臺布袋除塵器之間的分布均勻性得到明顯改善。

5 結束語

本文針對1 000 MW燃煤機組布袋除塵器入口煙氣流場均勻性差問題，基于現(xiàn)場測試及煙道結構測繪，進行數值模擬、方案設計，研究并治理了該問題。

綜合考慮布袋除塵器入口煙道煙氣溫度和煙氣速度偏差，通過數值模擬確定了A，B側共計10組導流板的最佳加裝方案，并在機組檢修期間進行了導流板加裝。改造后的數值模擬及測試結果顯示，該方案能同時有效解決煙溫偏差過大和速度分布不均勻問題。