準能矸石電廠4#機組煙道數值計算仿真與煙氣流動分析

馬鵬飛1,張 選1，賈瑞龍1，王立新1，尚 慶，閆金山，閆 溟，田俊武

(1.神華準格爾能源有限責任公司，內蒙 準格爾旗薛家灣 010399；2.中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074)

0 引 言

為響應國家號召，改善大氣環境質量[1-2]，加快現役煤電的超低排放改造步伐，許多針對煙氣污染物超低排放技術的研究工作得到開展[3-4]，全國各地已建電廠也均在進行相關工作，對相應設備進行升級與改造。煙道在電廠設備中屬于重要部件，結構設計合理的煙道能夠對整個煙氣運行系統帶來有益的作用[5-6]，為此，文中將研究重點放在煙道構型方面。電廠現有煙道中的煙氣流動與結構問題較復雜，文中將基于空氣動力學原理，綜合運用流體力學三維計算仿真、現場試驗測量、專業設計等手段，進行煙道構型的分析。初步看，當前煙道布置過于緊湊，急彎多，矩形煙道內部支撐過多，煙道內氣體流動漩渦太多，導致煙道系統阻力較大，甚至影響到后續的布袋除塵器入口煙氣不均衡情況，導致生產能耗指標高。文中將結合使用CFD數值仿真手段，在大規模計算機集群上，對煙道進行仿真模擬計算，以期實現CFD數值模擬技術對煙道優化的指導。

1 4#機組煙道模型

電廠4#機組的鍋爐尾部煙氣分成兩路平行通道，分別沿著兩臺空預器，流經兩路結構對稱設計的煙道，進入兩路布袋除塵器，在兩路煙道之間設置有聯箱。實物照片如圖1所示，左圖為大致側視煙道實物照片，右圖為大致俯視煙道實物照片。另機組圍墻內還有部分煙道結構未給出，但其大概構型可在圖2中看到。圖2給出了所研究煙道的CFD數值計算仿真網格建模，由于在煙道內多處有內部支撐桿，所以建模網格量較大，圖2(a)給出了煙道網格建模的上側視圖，圖2(b)給出了煙道網格建模的底側視圖，圖中可以看到四個灰斗，上方是兩路空預器，煙氣經過兩路空預器之后，分別水平拐彎，在經過直角彎頭，并爬升至后面的布袋除塵器入口，在爬升之前有矩形聯箱將兩路煙氣聯通。圖中網格較密集的部位是安裝內部支撐桿的位置，為了準確模擬支撐桿附近的煙氣流動情況，該位置都進行了局部網格加密處理。

圖1 準能矸石電廠4#機組煙道實物照片

圖2 準能矸石電廠4#機組煙道CFD數值計算仿真網格建模

2 數值計算理論方法

煙氣在彎曲煙道內的流動是一個很復雜的過程，流動本身經過彎頭或彎曲部件會產生流動分離漩渦，流經煙道內部許多的支撐桿也會產生很大的擾動，這些都使得煙道壓力降低較多，對煙道的阻力影響很大。文中數值計算仿真過程中采用了工程上廣泛應用的標準k-雙方程模型[7]模擬煙氣湍流流動，使用隨機軌道模型[8]模擬粉塵顆粒的運動，計算格式使用了二階迎風格式，主要流動控制方程如下。

質量方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

控制方程可以轉換為通用形式：

(4)

φ表示為通用變量，分別代表密度、速度和組分還有焓。源項如下：

(5)

計算使用了k-ε模型，建立它們的方程有：

μT=cμρk2/ε

ε方程為：

(6)

k方程為：

(7)

煙氣中粉塵顆粒運動方程，設正x方向垂直向下，考慮到作用在顆粒上的力主要是氣相阻力和重力，其它力相對較小可忽略不計，則描述顆粒三維瞬時運動的動量方程可寫為：

(9)

(10)

3 煙道計算工況及邊界條件設置

計算中，入口使用質量流量入口邊界條件，出口使用壓力出口邊界條件，煙道壁面假設無熱交換，煙氣體積總流量234e+4m3/h，溫度約145 ℃，煙氣成份大致為N2為73%，O2為2.66%，CO2為14.9%，H2O為9.45%。粉塵顆粒流量約為87 t/h。數值計算仿真分別針對煙氣氣相流動與氣體顆粒兩相流動開展了數值模擬研究。

表1煙道CFD數值模擬所用煙氣成份

4 煙道數值計算仿真結果與流場分析

經過對煙道內煙氣運動的數值計算，分別得到了不含粉塵的氣相煙道阻力與含粉塵的兩相流動的煙道阻力，見表2，不考慮粉塵條件下煙道阻力約為564 Pa，考慮粉塵條件下煙道阻力數值約590 Pa，二者差異約26 Pa。后續給出詳細的計算結果與分析。

表2煙道阻力數值

圖3與圖4分別給出了煙道側視總壓分布云圖與俯視總壓分布云圖。從圖中可以看到，在煙道拐角處、還有爬升處等部位總壓損失較大，是煙道阻力主要集中的部位。

圖3 煙道側視總壓分布云圖

圖4 煙道俯視總壓分布云圖

圖5給出了煙道中煙氣流線圖。從圖中可以看到，煙氣由空預器向下流動，在灰斗上方進行水平拐彎，而后經過直角彎頭到達聯箱處，再進行爬升流至除塵器入口，在聯箱附近可以看到煙氣流線混亂，出現很多流動漩渦結構，而后在除塵器之前的煙道內，煙氣也旋轉流動，這些雜亂或漩渦結構都增加了流動阻力，是煙道阻力主要產生的地方。

圖5 煙道中煙氣流線圖

圖6 煙道內部剖面流場速度分布圖

圖6給出了煙道內部剖面流場速度分布圖?？梢钥吹?，顏色越紅表示速度越快，顏色越藍表示速度越慢，煙氣經過繞流內部支撐結構，給速度帶來了損失，且在煙氣各個拐彎的地方也都帶來了速度損失，這些都是引起煙道阻力增加的地方。

圖7給出了煙道內部剖面流場壓力分布圖。從剖面壓力云圖中可以看出，在直角彎頭和聯箱附近及爬升段，是壓力損失較大的地方。

圖7 煙道內部剖面流場壓力分布圖

圖8給出了煙道內部剖面流場煙氣流線圖。從這張圖中則可以更加直觀的看到煙道內部流動漩渦結構，在產生流動漩渦的附近煙道相應的是阻力最大的部位。若以后進行該煙道的優化可以重點改進這些部件。

圖8 煙道內部剖面流場煙氣流線圖

圖9給出了煙道內部不同直徑尺寸粉塵粒子運動軌跡?？梢钥吹?，粉塵粒子隨著氣流不斷運動，在拐角附近、聯箱中、爬升段也產生了漩渦運動，粉塵粒子的運動都是氣體攜帶誘導的，這會損失氣體的一些能量，由計算數據可知，煙氣中有粉塵的條件下，會相應的增加氣體總壓損失，煙道阻力也會更大一些。

圖9 煙道內部不同直徑尺寸粉塵粒子運動軌跡

表3給出了煙道中從空預器出來的兩路煙氣流量的均衡性情況。可以看到，假設兩臺空預器內部發生問題或阻塞程度不同時，比如兩路煙氣，一路在原有流量基礎上增加5%，另一路在原有流量基礎上減少5%，那么由此帶來的煙道總阻力是增加的，而且在后續的除塵器入口附近，兩路煙氣的流量不均衡程度還會擴大，流量偏差接近了±14%；而若兩路由空預器帶來的入口流量偏差±10%的話，那么后續除塵器入口的煙氣流量偏差則達到±18%，而且流動還是不穩定的，流量存在波動。這估計是聯箱沒有發揮出應有的作用。

表3兩路煙道流量均衡性研究

5 結束語

文中開展的電站鍋爐尾部煙氣在煙道內部的流動情況的數值模擬仿真，不僅研究了煙氣與粉塵在煙道內的流動與相互作用的現象，而且為今后煙道優化提供了指導思想，可以得到以下結論：

(1)經過對煙道內煙氣運動的數值計算，得到了煙道阻力，不考慮粉塵與考慮粉塵條件下煙道阻力二者差異約26 Pa。研究表明，煙氣經過繞流內部支撐結構，給氣流帶來了損失，在拐角附近、聯箱中、爬升段也產生了漩渦運動，是煙道阻力主要產生的地方，氣流中攜帶的粉塵粒子，也會損失氣體的一些能量。

(2)在煙道的兩路煙氣流量的均衡性研究中，可以看到，兩路煙氣在原有流量基礎上偏差±5%時，那么后續的除塵器入口兩路煙氣的流量偏差接近了±14%，而若兩路煙氣流量偏差±10%的話，那么后續除塵器入口的煙氣流量偏差則達到±18%，而且流動還存在不穩定性，導致流量始終有波動。