多彎頭匯流煙道的氣流優(yōu)化選型

張 銳

（福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建龍巖 364000）

0 引言

隨著我國環(huán)保標準的日趨嚴格，對氮氧化物、粉塵排放的要求越來越嚴格，對電廠、鋼鐵廠現(xiàn)有大氣環(huán)保設備的升級、改造成為一個必然的趨勢。許多升級改造項目需根據(jù)現(xiàn)有煙道進行改造，布置煙道較復雜，導致改造后運行阻力變大，增加運行電耗。

1 改造背景

受前期建設總平規(guī)劃的場地限制，舊廠改造容易出現(xiàn)復雜連續(xù)多彎頭煙道。對于整體設備而言，煙道的復雜走向帶來的復雜氣流會引起以下兩方面的不利：對于除塵器，氣流在電廠內(nèi)分布狀態(tài)不均勻時，氣流呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，從而導致電廠內(nèi)出現(xiàn)渦流和氣流偏離造成的沖擊，導致除塵器效率下降；對于其他煙道，除塵器的多彎煙道會造成系統(tǒng)阻力的增大，從而提高引風機的能耗，不僅增加了投資，也提高了運行費用。

目前，針對于此類煙風管道的流體力學研究分析手段分為理論經(jīng)驗分析、實驗研究和數(shù)值計算3 種。而這3 種方法組成了研究流體流動問題的完整體系。對于多彎頭煙道，由于煙道內(nèi)部構(gòu)件并不復雜，采用理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，既可以得出系統(tǒng)阻力值的所需數(shù)據(jù)，又避免了不必要的試驗模型的高投入，是比較經(jīng)濟實用的選擇。

本文基于常見的復雜改造煙道布置，模擬一個較典型的方案進行氣流優(yōu)化選型，對導流板設置層數(shù)與阻力對比做定量分析，再輔以因素評分法進行綜合必選分析，對最佳的導流裝置設置方式進行定性分析，給煙道改造方案必選提供一個較合理的分析必選范圍。

2 復雜煙道結(jié)構(gòu)分析計算及優(yōu)化

2.1 幾何模型

模擬煙風管道由于改造后場地不足，需2 臺主機煙道分別進氣合并，2 個風機出口煙道由2 段矩形煙道沿中心軸180°布置。每個煙道入口經(jīng)過2 個轉(zhuǎn)彎和匯流彎合并進入后端設備。對2 個連續(xù)轉(zhuǎn)彎的煙道進行獨立小部分分析，確定導葉設置的效果。圖1 為煙道幾何模型，煙氣經(jīng)A、B 兩段煙道進入?yún)R流煙道。由于改造中場地的限制，設計中出現(xiàn)煙道急彎，因此對煙道整體阻力及氣流均勻性造成很大影響。

圖1 煙道幾何模型

由于存在連續(xù)2 個90°方截面彎頭的影響，該段煙道內(nèi)氣流流動狀況非常不均勻，導致系統(tǒng)阻力增大。擬在2 個90°方截面彎頭處布置導流板，以便調(diào)整煙道內(nèi)氣流分布的均勻性，并做好氣流的阻力分析，驗證導流板的可行性，在匯合煙道設置防煙氣對沖擋板，防止煙氣對沖增加阻力。

根據(jù)DL/T 5121—2000《火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于矩形煙風道急轉(zhuǎn)彎頭的相關(guān)選型進行導流板間距等參數(shù)的方案預選，輔以流體分析。經(jīng)過對8 種導流板設置方案的計算模擬，最終必選出4 種模型進行阻力及重量的綜合分析，其中導流板厚度為5 mm。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件的確定

對整個煙道網(wǎng)格模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，規(guī)則的體采用六面體網(wǎng)格劃分，不規(guī)則的體采用四面體網(wǎng)格或者混合型網(wǎng)格劃分。針對導流板部分，由于導流板的尺寸小，在網(wǎng)格劃分上采用了加密型網(wǎng)格，以提高計算的準確性。控制方程選用方面：應用質(zhì)量守恒方程、動能守恒方程、標準k—ξ 湍流模型方程。

按設計標煤煙氣量進行數(shù)值模擬，邊界條件設置如下：

（1）采用速度進口邊界條件，氣流均勻垂直流入，流速為13.12 m/s。

（2）煙道出口邊界條件采用壓力出口，出口壓力設置為0。

（3）導流板采用Wall 設置，板表面默認為非滑動邊界條件。

（4）垂直方向重力加速度為-9.81 m/s2。

2.3 數(shù)據(jù)后處理

如圖1 所示，除塵器出口煙道整體分析結(jié)果為入口A、B 匯合后流速增大，進入主煙道后，由于煙道進一步縮小，流速變大。進一步對單煙道A 做出口壓力流線分析，得出流速分布如圖2 所示。

圖2 A 煙道流速分布

以此流體分析的方法，分別得出無導流板、單層導流板、3 層導流板、多層導流板等多種方案的阻力分布。阻力值分布見表1。

表1 各監(jiān)測點導流板阻力值 Pa

阻力值基本趨勢表現(xiàn)為：隨著導流板數(shù)量增加，各監(jiān)測截面的阻力逐漸減小；隨著導流板的增加，阻力減小的趨勢越來越不明顯。

對于監(jiān)測口1，測量值為單段煙道的總阻力，隨著煙道導流板數(shù)量的增加，煙道總阻力值降低，呈現(xiàn)越來越平緩的趨勢。根據(jù)各點分析結(jié)果的阻力值進行趨勢擬合，得出煙道阻力隨導流板層數(shù)的變化關(guān)系：P=0.375X4-6.2X3+40.575X2-127.85X+261.7。導流板層數(shù)—阻力趨勢見圖3。

圖3 導流板層數(shù)—阻力趨勢

3 煙道因素分析法比對

根據(jù)分析結(jié)果，煙道阻力隨著導流板的增加而減小。同時，導流板的增加將帶來以下的后果：

（1）增加煙道鋼耗。導流板增加到一定數(shù)量后，盲目增加導流板對阻力的變化影響很小，僅起到優(yōu)化氣流均布的作用。除后續(xù)工藝未對氣流均布有更高的要求，否則再增加導流板沒有其他優(yōu)化意義。

（2）導流板的增加將加大施工難度，拉長施工周期。由于導流板承受氣流沖擊，且振動較大，大氣環(huán)保設備很多煙道都直接連接引風機或其他重要工藝設備，如施工焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題，容易導致導流板振動撕裂、整體脫落，進而破壞后續(xù)工藝設備，故越多的導流板越增加后續(xù)的運行風險。

（3）技術(shù)升級改造項目大多屬于短平快要求的工程，全廠等待設備改造完成繼續(xù)生產(chǎn)，優(yōu)化煙道的導流板數(shù)量可縮短整個施工周期。

（4）由于導流板的振動不可避免，故每次停機檢修需檢查導流板的振動情況，并對所有導流設備進行檢查、補焊。由于很多煙道均處在高空位置，且改造升級項目存在場地復雜、整體布置復雜的情況，因此，煙道導流板越多，檢修難度越高。

基于以上的影響因素，做因素分析法進行模擬的煙道進行整體性因素分析必選。由于阻力是煙道整體考慮的最重要因素，故設置此因素為重要因素，占比為70%，其余3 個條件為次要條件，分別占比10%，根據(jù)此原則進行各項因素占比綜合必選。

4 結(jié)論

（1）對于復雜的多彎頭煙道而言，流場模擬技術(shù)能夠通過導流板的布置改善氣流的速度場和氣流的分布，降低煙氣對煙道的沖刷流速，同時提高氣流的均勻性。

（2）流場模擬技術(shù)可以通過煙道局部阻力的測定、綜合傳統(tǒng)設計及物模模擬，達到優(yōu)化設計、優(yōu)化系統(tǒng)阻力的作用。

（3）對于多彎頭并流煙道，如后續(xù)對氣流均布性無特別性要求，導流板設置5～8 層，對于煙道整體性能最優(yōu)，其阻力的優(yōu)化空間已不大，且可整體降低后續(xù)施工、檢修的工作量及難度，特別適合改造項目中場地復雜、要求施工周期短的項目。