準能矸石電廠4# 機組煙道優化設計數值仿真

賈瑞龍，王立新，張 選，馬鵬飛，閆金山，尚 慶

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

為改善大氣環境質量， 實現我國煤電的超低排放改造， 全國各地電廠均在進行相關設備的升級與改造[1-2]。 電廠鍋爐煙風系統的風機設備是燃煤機組重要耗電設備， 如果能夠對煙風系統或煙道結構進行優化[3-5]，降低運行阻力，可以大幅度降低電廠能耗，達到節能減排的目的。 這里本文將電廠鍋爐尾部煙道作為研究重點，提出幾種優化設計改造方案，并使用流體力學數值計算仿真模擬手段， 對優化設計方案進行研究， 分析了優化設計方案的煙道阻力及兩路流量均衡性，擇優選擇優化設計方案，指導電廠鍋爐尾部煙道的優化設計改造工作。

1 4# 機組煙道構型

電廠4#機組的鍋爐尾部煙氣，分別經過兩臺空預器進行熱交換， 而后流經兩路結構對稱設計的煙道，在兩路水平煙道之間設置有聯箱（如圖1 所示），再爬升進入兩路布袋除塵器。 可以看到，煙道結構中有很多彎曲構型、直角彎頭、聯箱等，預估會使得煙氣流動不那么順暢，為了減少煙道阻力，勢必對這些結構進行改進或調整。

圖1 準能矸石電廠4# 機組尾部煙道結構示意圖

2 煙道結構優化設計方案

本文提出3 種優化結構方案，對原有煙道結構的問題進行了改進。 圖2～圖4 分別給出了3 種煙道優化方案的結構示意圖。 圖2 所示方案中，兩路煙氣水平拐彎后，先匯合，而后再分兩路，進入除塵器，相比較原煙道來講，去除了直角彎頭與聯箱結構，使得結構得到優化。 圖3 所示方案中，則是兩路煙氣分別獨自直接經過圓滑的彎頭并爬升至兩路除塵器，不再進行中間的匯合， 估計這樣可使得煙道阻力減少最多。圖4 所示方案中，則是取消了煙氣從空預器出來的水平拐彎，直接垂直拐彎，經弧形彎頭匯聚，而后爬升再分兩路進入除塵器，預計也能減少煙道阻力。

3 數值計算方法

圖2 煙道優化方案1 結構示意圖

圖3 煙道優化方案2 結構示意圖

本文數值計算仿真過程中使用到了流體力學的連續方程、動量方程、能量方程，并結合了工程上廣泛應用的標準k-ε 雙方程模型[6]，計算格式使用了二階迎風格式， 煙氣粒子的運動則使用隨機軌道模型模擬[7]，主要考慮到作用在顆粒上的氣相阻力和重力，其它力相對較小可忽略不計。 原有的鍋爐尾部煙道結構較為復雜，煙氣流動有垂直拐彎、水平拐彎、爬升，流動本身會產生漩渦分離，這些都會帶來較大的煙道阻力。 使用數值模擬方法可以對煙道結構產生的流動阻力進行分析， 還能夠對設計過程中的優化結構進行預先評估，提高效率。

圖4 煙道優化方案3 結構示意圖

4 計算工況及邊界條件

計算中， 計算域入口使用質量流量入口邊界條件，煙氣體積總流量234e+4 m3/h，溫度約145 ℃，煙氣 成 分 大 致 為 N273% ，O22.66% ，CO214.9% ，H2O9.45%。 出口使用壓力出口邊界條件，煙道壁面假設無熱交換。煙氣中的粉塵顆粒質量流量約為87 t/h。數值模擬仿真計算，分別對煙氣的氣體流動開展了計算研究， 還對煙道中的氣體顆粒兩相流動開展了研究。

5 煙道優化設計數值計算結果與分析

經過數值計算， 分別得到了各種優化設計方案的煙道阻力，包括含粉塵與不含粉塵的情況，并與原煙道的阻力進行了比較（如表2 所示）。 從表中可以看出：①3 種煙道優化方案，考慮粉塵影響與不考慮粉塵影響的煙道阻力計算數值，二者差異均在20 Pa以內，該數值很小，即在優化設計方案中粉塵帶來的阻力影響很小；②3 種煙道優化方案中，方案2 阻力最小約220 Pa，方案1 阻力約為310 Pa，方案3 阻力約為360 Pa；③方案2 中由于缺少聯箱設計，無法起到均衡兩個空預器出口的兩路煙氣的作用， 方案3中，由于煙道拐彎半徑太小，與煙道內的煙氣流動不匹配，反而會引起較大的阻力；④方案1 的煙道優化設計使得煙氣拐彎阻力減少， 且兩路煙氣匯合部位的設計能夠起到平均兩路煙氣流的作用， 應該是性能比較均衡的優化方案。

表2 煙道阻力數值

圖5 分別給出了原煙道結構與3 種優化設計結構的內部剖面煙氣流線圖。 從圖5（a）中可以看到，煙氣經由空預器垂直向下流動， 而后拐彎進入水平煙道，再拐彎經過直角彎頭進入聯箱，并從聯箱上部兩個出口爬升至除塵器入口，在水平煙道、直角彎頭與聯箱附近可以看到煙氣流線較為混亂， 有很多渦結構，并且呈現出三維漩渦運動特征，這使得流動阻力較大；從圖5（b）中可以看出，圓弧彎頭與先匯聚再分開的聯通設計，使得流線較為順暢，減少了煙道阻力；從圖5（c）中可以看出，由于左右兩路煙氣未設置聯通結構， 直接由圓弧設計的管道流至除塵器入口，流線更為順暢，煙道阻力可以降低更多；從圖5（d）中可以看出，煙道雖然采用了圓弧彎頭設計，但是可能由于轉彎半徑過小， 在聯通煙道附近引起了較強的漩渦流動結構， 這使得煙道阻力減少并是不是特別多。

圖6 分別給出了原煙道結構與3 種優化設計結構的內部剖面流場壓力分布圖。 從圖6（a）的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。 而圖6（b）、（c）、（d）的剖面壓力云圖中，與圖6（a）相比較，明顯看出煙道入口和出口的壓力差減少很多， 表明3 種優化設計方案均能較大地減少煙道阻力。

圖7 分別給出了原煙道結構與3 種優化設計結構的內部流場煙氣流線圖。 從圖7（a）中可以更加清晰直觀地看到煙道內部流動漩渦結構， 相應的在該部位附近也是阻力最大的位置。 同時還看到，3 種優化設計方案使得流線走勢更為光順， 削減了漩渦流動結構，使得煙道阻力減少。

圖5 煙道內部剖面流場煙氣流線圖

圖6 煙道內部剖面流場壓力分布圖

圖7 煙道中煙氣流線圖

圖8 與圖9 分別給出了原煙道與優化設計方案1 的進出口流量計算情況， 圖中的曲線則是進出口流量隨著計算過程的變化趨勢。 圖8（a）、（b）分別是進口流量偏差±5%與±10%條件下的出口流量情況，圖中上側兩條線表示進口流量，是計算設定條件，可以看出進口流量平穩保持設定數值， 圖中下側是計算出的兩路出口流量，可以看出，這兩條線走勢很不穩定，表明兩路出口的煙氣流量不均衡、不穩定。 圖9（a）、（b）給出的優化設計方案1 的流量情況，可以看到， 在兩路入口給定流量偏差±5%與±10%條件下，兩路出口流量的兩條線走勢平穩，且計算出的流量偏差相比于入口流量偏差還有所縮小， 說明優化設計方案1 中的聯通結構起到了重要的均衡作用。

圖8 原煙道進出口流量計算情況圖

表3 給出了原煙道與優化設計方案1 的從空預器出來的兩路煙氣流量的均衡性情況。 可以看到，當兩臺空預器內部發生問題， 使得兩路煙氣不均勻時，比如，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%，那么在后續的除塵器入口附近，兩路煙氣的流量不均衡程度會擴大， 流量偏差接近了±14%，并且煙道總阻力是增加的；而若兩路由空預器帶來的入口流量偏差±10%的話， 那么后續兩路煙氣流量偏差則達到±18%。 原煙道中的聯箱設計沒能發揮出應有的作用。 從表3 中還可以看到，煙道優化設計方案1 的流量分配情況，當兩路入口煙氣流量偏差±5%時，兩路出口煙氣流量偏差為±3%，當兩路入口煙氣流量偏差±10%時，兩路出口煙氣流量偏差為±6.6%，流量不均衡也會使得煙道阻力增加，但阻力增加量較小，表明優化設計方案1 給出的煙道聯通結構能夠對兩路煙氣流量的均衡起到一定的作用。

圖9 優化方案1 的進出口流量計算情況圖

表3 兩路煙道流量均衡性研究

6 結論

本文開展的電站鍋爐尾部煙氣煙道優化設計研究，提出了3 種優化設計方案，且進行了數值模擬仿真計算，研究表明3 種方案均能夠減少煙道阻力，但其特點不盡相同，可以得到的研究結論如下：

（1）3 種煙道優化方案，考慮粉塵影響與不考慮粉塵影響的煙道阻力計算數值， 二者差異均在20 Pa以內，影響很小；其中，方案2 阻力最小約220 Pa，方案1 阻力約為310 Pa，方案3 阻力約為360 Pa；還有，方案2 中缺少聯箱設計， 無法均衡兩路煙氣， 方案3中可能由于煙道拐彎半徑過小，反而引起較大阻力。

（2）煙道流場內部流線分析表明，原煙道在水平煙道、直角彎頭與聯箱附近煙氣流線紊亂，呈現出三維漩渦運動特征，這使得流動阻力較大；而3 種優化設計方案， 均采用了光滑過渡的圓弧構型的煙道部件，使得流線較為光順流暢，減少了煙道阻力。

（3）煙道結構設計中兩路煙氣均衡性研究表明，原煙道兩路煙氣流量若偏差±5%， 則煙道出口兩路煙氣流量偏差會擴大到±14%， 若兩路入口流量偏差±10%， 那么煙道出口兩路煙氣流量偏差則達到±18%，并且煙道總阻力增加；而煙道優化設計方案1的流量分配情況，當兩路入口煙氣流量偏差±5%時，兩路出口煙氣流量偏差為±3%， 當兩路入口煙氣流量偏差±10%時，兩路出口煙氣流量偏差為±6.6%，流量不均衡也會使得煙道阻力增加， 但阻力增加量較小， 可見優化設計方案1 對均衡兩路煙氣流量能夠起到一定的作用。