基于數值模擬的鍋爐冷風道流場均勻性優化

朱少春

(上海電氣集團股份有限公司電站分公司， 上海 201100)

電站鍋爐風道內流場的均勻性對機組運行和設備使用有著重要的影響。如果流場分布極度不均，將嚴重影響流場內換熱設備的使用效果[1]，并導致風道振動；而通過在風道內合理布置導流板可以明顯改善流場的均勻性，提高換熱器使用效果，同時減小風道振動[2-9]。因此，針對不同結構的風道，研究并設計合理的導流板以優化流場均勻性是十分重要的。筆者基于某海外330 MW燃油(氣)電廠暖風器換熱效果達不到設計值的實際情況，采用FLUENT軟件對送風機出口風道內流場進行數值模擬，證實了風道內流場嚴重不均、風道上部存在較大回流區。為了改善流場的均勻性，須在送風機出口風道加裝導流板，對導流板安裝高度分別為635 mm和953 mm以及安裝角度分別為10°和15°的方案進行了數值模擬，發現加裝導流板可以明顯改善送風機出口流場的均勻性，并確定了首選方案，為后續改造提供了理論依據。

1 送風機出口楔形風道布置

該電廠送風機采用離心式風機，風機出口為楔形風道(見圖1)，風道內部未布置導流板，風道出口緊湊布置二次風暖風器，暖風器出口通過水平風道和矩形彎頭連接至空氣預熱器入口。

根據自然射流的特點[10]，射流夾角一般在10°～12°，而筆者研究的送風機出口風道單側夾角為20°，據此可以初步判斷該風道內流場充滿度較低、均勻性較差。同時，該風道與常見的對稱布置的喇叭形風道不同，是非對稱布置的楔形風道，導致經送風機加壓后的二次風進入風道時形成偏心射流，而根據偏心射流的特點[11]，可以進一步判斷該風道內流場上部會形成較大的回流區。

圖1 送風機出口楔形風道縱向截面示意圖

2 未布置導流板的風道內流場模擬

筆者采用數值模擬方法對送風機出口風道內流場進行計算，計算區域為楔形風道入口至與其連接的水平風道出口。為了簡化模型，考慮到風道橫向的對稱性，選取風道縱向截面為研究對象，建立二維模型。為了便于后續分析，建模時選擇送風機出口至暖風器入口的水平方向為X軸正向，自下而上的豎直方向為Y軸正向，送風機出口位于x=0 m處，暖風器入口位于x=5.7 m處。

2.1 確定物理模型和計算輸入

數值模擬采用FLUENT計算軟件，湍流模型選用標準k-ε雙方程模型[12-13]：

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；x為X方向坐標，m；y為Y方向坐標，m；u為X方向速度，m/s；v為Y方向速度，m/s；φ為通用變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

因為二次風流速為49.8 m/s，小于當地音速的30%，故可忽略流動的壓縮性，將其作為不可壓縮流動處理[12]。數值計算入口邊界條件選擇速度入口，出口邊界條件選擇壓力出口，采用基于壓力基的耦合式算法，各變量采用二階離散[14-15]。經過網格劃分并進行無關性驗證，確定最終采用網格數為47 266即可滿足計算要求。數值計算收斂的判據為各物理量殘差小于10-3，且流場出口截面上流量穩定。

2.2 計算結果分析

圖2為風道內速度分布云圖。由圖2可以看出：因風道夾角過大，二次風主要沿著風道下部流動，對上部擾動較小，故風道內流場呈現下部流速高、上部流速低的特點，風道豎直方向速度分布極度不均。

圖2 風道內速度分布云圖

圖3和圖4分別為風道內X方向分速度分布云圖和流場軌跡線圖。由圖3、圖4可以看出：在風道上部存在明顯的回流區，即該區域X方向分速度為負值。

圖3 風道內X方向分速度分布云圖

圖4 風道內流場軌跡線圖

為了進一步研究暖風器入口處流場情況，選擇x=5.7 m處為研究對象。圖5為暖風器入口處沿著豎直方向二次風X方向分速度變化曲線，可以發現在y=0～2.8 m，X方向分速度為正值，在y=2.8～4.0 m，X方向分速度為負值，即暖風器入口存在明顯的回流區，且回流區長度達1.2 m，占入口總高度的30%。

圖5 x=5.7 m處X方向分速度變化曲線

上述計算結果與對送風機出口楔形風道內流場的初步判斷基本一致，即風道內流場極度不均且存在明顯的回流區，在暖風器入口處回流區更是高達30%，使得暖風器上部無法得到充分的利用，大大減小了暖風器的有效換熱面積，成為影響二次風溫升的重要原因，同時，流場不均也加劇了風道的振動。

3 導流板布置方案

為了減小流場不均對暖風器正常使用和風道振動的影響，必須改善風道內尤其是暖風器入口處流場的均勻性，為此須在風道內部加裝導流板。考慮到電廠實際情況，在方便測量與焊接的前提下，導流板不宜太大，選取長度為2.85 m的導流板，通過調整安裝標高和安裝角度兩個變量來進行計算和比較。首先，通過對比導流板加裝在標高y=635 mm(送風機出口高度1/3)和y=953 mm(送風機出口高度1/2)處的流場情況，確定導流板加裝的位置；其次，通過對比導流板加裝角度為10°(楔形風道夾角的1/2)和15°(楔形風道夾角的2/3)時的流場情況，確定導流板加裝的角度；最終，綜合上述結果確定導流板最終應加裝的位置和角度。以上方案與未布置導流板的方案(方案1)共形成4套方案，其簡要描述見表1。

表1 導流板布置方案匯總表

3.1 不同方案下流場的定性比較

圖6～圖8分別為4套方案下風道內二次風速度分布云圖、X方向分速度分布云圖和流場軌跡線圖。對比方案1和其他方案，可以發現加裝導流板后人為地將大夾角的風道分為上下兩個小夾角的風道，故風道內流場發生了明顯的改變，二次風對風道上部擾動加強，上部流速明顯增大，據此初步判斷加裝導流板可有利于改善流場均勻性。對比方案2和方案3，可以發現當導流板布置位置較低時，流場上部高速區域明顯增多，但上部回流區也更大，據此定性判斷導流板布置在較高處流場均勻性應更好。對比方案3和方案4，可以發現當增大導流板安裝角度時，流場上部高速區域無明顯變化，上部回流區縮小，但是在導流板下部出現了新的回流區，這主要是因為下部小風道夾角為15°，大于自然射流夾角，據此定性判斷導流板角度為10°時，流場均勻性應更好。

圖6 方案1～4下風道內速度分布云圖

圖7 方案1～4下風道內X方向分速度分布云圖

圖8 方案1～4下風道內流場軌跡線圖

3.2 不同方案下流場的定量分析

為了對不同方案下的流場均勻性進行定量分析，選擇暖風器入口處，即x=5.7 m處的速度變化曲線為研究對象進行比較。圖9為方案1～4下暖風器入口處沿著豎直方向二次風X方向分速度變化曲線。由圖9可以看出：加裝導流板后，暖風器入口上部區域X方向分速度得到明顯提高、流場均勻性得到明顯改善；方案1～4下風道上部均出現了回流區，回流區長度依次為1.2 m、0.8 m、0.5 m、0.3 m，占入口總高度的比例依次為30%、20%、12.5%、7.5%。雖然方案4在暖風器入口處回流區小于方案3，但是方案4在導流板下部出現了新的回流區，流場的整體均勻性不如方案3，易加劇風道振動，故方案3更優。

圖9 方案1～4下x=5.7 m處X方向分速度變化曲線對比

對整個風道內和暖風器入口處速度大小的標準方差進行計算和比較，結果見表2。由表2可以看出：方案3不論是整個風道內還是暖風器入口處，其速度大小的標準方差均最小，再次證明方案3下流場均勻性更好。

表2 方案1～4下速度標準方差匯總表 m/s

3.3 最優方案的確定

結合以上定性和定量分析，可以得出結論：當導流板加裝標高為y=953 mm、角度為10°時，流場均勻性更好，應為首選方案。電廠根據該方案在送風機出口風道加裝導流板后，測得二次風溫升為61 K左右(改造前為50 K)，接近設計值，同時風道振動也有一定程度減弱。

4 結語

筆者對送風機出口楔形風道的特點進行分析，初步判斷風道內流場嚴重不均且風道上部存在回流區；通過數值模擬方法對未布置導流板時的風道流場進行計算，結果顯示風道內和暖風器入口處二次風速度的標準方差分別為19.6 m/s和20.0 m/s，且暖風器入口存在占總流通面積30%的回流區，驗證了流場的不均勻性；通過對不同導流板布置方案下的流場進行定性和定量分析，確定導流板加裝標高為y=953 mm、角度為10°時，流場均勻性更好，風道內和暖風器入口處二次風速度的標準方差分別減小至14.4 m/s和13.1 m/s，暖風器入口回流區減小至總流通面積的12.5%，能夠明顯提高二次風溫升，并一定程度減弱風道振動。

電廠根據該方案進行改造并取得了很好的效果，充分說明了流場均勻性的重要性，后續工程項目中應在設計初期就加強對風道均勻性的計算，必要時引入數值模擬手段，以避免工程建設過程中再進行改造。