煙氣擋板流動特性的數值模擬

樊樺,吳東垠

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

煙氣擋板在鍋爐運行過程中可以調節煙氣流量,對維持和調節鍋爐內部負壓和再熱汽溫等都非常重要[1-3]。良好的煙氣擋板流動特性可以保證鍋爐的安全、經濟和穩定運行。在冶金、石化和水泥等行業調整氣體流量時均涉及擋板,擋板流動特性與許多工業生產過程密切相關。

流動特性一般可以用速度云圖[4-7]、壓力云圖[8-11]、流阻系數[12-13]和流量系數[14]等描述,近年來常采用CFD方法進行數值模擬。賀惠民等采用Fluent軟件比較了某AP 1 000核電汽輪機的中壓閥在開度分別為90°、40°和10°下的兩相流與單相流的流場,并研究了閥門壓損及其主要影響因素[15]。廖志芳等利用CFD方法分析了DN 1 000上蓋式半球閥在8個開度下閥門內部流場的變化情況,并根據相關公式得到各開度下的流阻系數和流量系數,進而提供了流阻系數曲線和流量系數曲線,較好地描述了該閥門在不同開度下的流動特性[16]。孫曉等通過數值模擬與實驗驗證相結合的方法,研究了止回閥的壓力云圖、速度云圖和流阻系數與閥門前后壓力差之間的關系,并進行閥芯結構的優化設計[17]。鄧斌等基于各向異性多孔介質與分布阻力的概念,采用修正k-ε模型和壁面函數法,計算了管殼式換熱器殼側的流動特性,得到了殼側在不同雷諾數下的進出口壓差和壓力分布,將計算結果與實驗數據對比,發現計算值和實驗值在流量較小時吻合良好[18]。Wang等采用數值模擬的方法研究了柴油發動機燃料引射器的控制閥結構參數對閥內流動特性的影響[19]。Wu等采用CFD方法研究了壓力控制閥的壓力云圖、速度云圖和體積流量等,分析壓力控制閥的流動-壓力特性,并通過實驗驗證了理論計算結果[20]。綜上所述,使用湍流模擬方法計算閥門等部件的內部介質流場,可以得到相應的壓力云圖、速度云圖、流阻系數和流量系數等。這些關鍵參數均能夠反映流動特性,為相應部件的結構優化及運行工況調整奠定基礎。

本文采用CFD方法,利用Fluent軟件從速度云圖、壓力云圖、流阻系數和流量系數等方面詳細研究某煙氣擋板的流動特性,優化擋板運行的開度區間,為煙氣擋板的設計、校核與選型提供理論依據。

1 數值模擬方法

1.1 物理模型

圖1為某煙氣擋板的三維模型圖,模型與實物尺寸一致。如圖1所示,該擋板的主體部分為3片可動擋板,從上到下依次命名為擋板1、擋板2和擋板3。其中,擋板1和擋板3沿順時針方向打開,擋板2沿逆時針方向打開,最大旋轉角度均為90°。運行過程中,3片擋板的旋轉角度一致,即若擋板1和擋板3沿順時針方向旋轉40°,則擋板2沿逆時針方向旋轉的角度也是40°,將3片擋板同時打開的角度定義為擋板開度,以θ表示。

圖1 煙氣擋板三維模型圖

1.2 計算模型及邊界條件設置

將煙氣擋板安裝在圓管煙道內,取煙道一半為計算對象,設置橫截面為對稱邊界,其余邊界均設為固體邊界。煙氣溫度為350 ℃并且不可壓縮,則其密度和動力黏度分別為0.571 kg/m3和2.995×10-5Pa·s。計算過程中,設置入口速度為18 m/s,出口壓力為0 Pa。本文分別模擬了θ為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°時煙道的速度云圖、壓力云圖、流阻系數和流量系數。假定流動為定常流動,利用RNGk-ε雙方程湍流模型計算流場,并采用增強壁面函數修正。

圖2 θ=40°的網格劃分

1.3 網格劃分與無關性驗證

為了減少計算量,本文取煙道的一半作為計算區域,并利用ICEM劃分計算區域的網格。由于擋板結構比較復雜,因此采用非結構網格劃分計算區域。圖2所示為θ=40°時80萬網格的劃分情況。由于θ=10°時的網格質量最差,故采用θ=10°的網格進行網格無關性驗證。將網格數劃分為18萬、24萬、34萬、50萬、80萬和138萬,分別計算擋板前后壓降,計算結果如圖3所示。從圖3中可以看出:當網格數介于18萬～50萬時,壓降隨著網格數的增加出現明顯波動,這是非結構網格在網格數目較少時網格質量差所致。網格數為80萬的計算結果和網格數為138萬的計算結果相差不大且無明顯波動,說明當網格數為80萬時,繼續增大網格數目對計算結果影響不大。因此,為了保證計算精度同時節省計算資源,本文選擇80萬網格數進行數值模擬。

圖3 網格無關性驗證

2 計算結果與分析

2.1 不同開度對應的煙氣擋板速度云圖

圖4所示為不同θ對應的煙道中間截面的速度云圖,本文分別計算了θ為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°時的速度云圖,限于篇幅,圖4中僅列出有代表性的θ為10°、40°、80°和90°時的速度云圖。

(a)θ=10°

從圖4a可以看出:當θ=10°時,擋板下游開口附近的煙氣速度明顯高于其他區域的煙氣速度,且擋板2和擋板3之間的煙氣流速明顯大于擋板1和擋板2之間的煙氣流速。這是因為擋板1和擋板2之間形成了擴散結構,煙氣在擋板1和擋板2的上游開口處由于流通截面積較小,煙氣速度較大,因此煙氣流經擴散結構向下游動時,隨著流通截面積增大,速度會相應下降;與此對應,由于擋板2和擋板3之間形成收縮結構,煙氣在擋板2和擋板3的上游開口處速度較低,向下游流經收縮結構時速度明顯上升,在擋板2和擋板3的下游開口處形成明顯的高速區。如圖4b和圖4c所示,隨著擋板開度的增大,煙道內高速區域增多,煙道上半部分的高速區域始終多于煙道下半部分,θ為20°、30°、50°、60°和70°時,速度云圖的變化規律與上述一致,在此不再贅述。當θ增大到80°時,從圖4c中可以看出,煙道上半部分和下半部分的高速區域面積相近;若θ增大到90°,如圖4d所示,煙道上半部分和下半部分的高速區域面積幾乎完全相等,整個煙道內速度場的均勻性最好。

從圖4還可以看出,若θ=10°,整個煙道內煙氣的最大流速約為235 m/s,與煙氣入口速度18 m/s相差極大,說明θ=10°的煙道內部速度場分布極不均勻。但是,隨著θ的增大,煙氣的最大速度快速降低,當θ=40°時,煙氣的最大流速下降到約92.9 m/s,煙道內部速度場分布的均勻程度有了很大的提升。若θ繼續增大,煙氣的最大速度持續下降,但是下降的趨勢變緩,θ為20°、30°、50°、60°和70°時,煙氣最大流速的變化趨勢與上述情況吻合。當θ=90°時,煙氣的最大速度降低到約31 m/s,與煙道入口速度18 m/s相差不大,煙道內速度場分布基本均勻。

2.2 不同開度對應的煙氣擋板壓力云圖

(a)θ=10°

圖5為不同θ對應的煙道中間截面壓力云圖,本文分別計算了θ為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°時的壓力云圖,限于篇幅,下文僅列出θ分別為10°、40°、80°和90°時的速度云圖。當θ=10°時,從圖5a可以看出,擋板上游靜壓明顯大于擋板下游靜壓,壓力過渡區域面積非常小,煙氣壓力在擋板開口附近急劇下降。隨著θ的增大,擋板開口附近的壓力過渡區域的面積逐漸變大,擋板上、下游的壓力差也變得越來越小,壓力場分布的均勻化程度提高,θ為20°、30°、50°、60°和70°時,壓力云圖的變化規律與上述一致。當θ=80°時,由圖5c可知,擋板上、下游的壓力相差不大,但在擋板上游開口附近仍然有局部高壓區域出現,壓力場整體分布較為均勻;當θ增大到90°時,由圖5d所示,擋板上、下游的壓力非常接近,擋板附近幾乎沒有明顯的高壓區域出現,此時壓力場分布相對于其他開度是最均勻的。

從圖5還可以看出:當θ=10°時,整個煙道內煙氣的最大靜壓約為26.50 kPa,而最小靜壓約為-11.40 kPa,兩者之間相差37.90 kPa,說明煙道擋板附近的壓力場分布極不均勻。隨著擋板開度的增大,煙氣的最大靜壓迅速下降,最小靜壓迅速增大,二者之間的差值快速減小。當θ=40°時,煙道內的煙氣最大靜壓約為1.58 kPa,最小靜壓約為-1.44 kPa,兩者之間相差3.02 kPa,其壓力場與θ=10°的情況相比其均勻化程度大幅度提高。若θ繼續增大,煙氣的最大靜壓下降和最小靜壓上升的速度明顯減緩,θ為20°、30°、50°、60°和70°時,煙氣靜壓的變化規律與上述類似。若θ=90°,煙氣的最大靜壓約為0.13 kPa,最小靜壓約為-0.22 kPa,兩者之間相差僅為0.35 kPa,此時的煙氣壓力場分布非常均勻。

2.3 不同開度對應的煙氣擋板流阻系數

流阻系數是評價節流元件流動特性的一項重要指標,表征流體通過節流元件時產生的壓力損失的大小,其計算公式[21]如下

ξ=2Δp/(ρu2)

(1)

式中:ξ為流阻系數;Δp為擋板前后壓差,Pa;ρ為煙氣密度,kg/m3;u為煙氣速度,m/s。

根據數值模擬結果計算得到不同擋板開度對應的流阻系數,如圖6所示。

圖6 不同擋板開度對應的流阻系數

如圖6所示,ξ與θ基本呈反比例關系:當θ較小時,ξ隨著θ的增大迅速下降,θ=10°對應的ξ為285.28,而θ=40°對應的ξ為16.02,相比θ=10°而言下降了94.38%;當θ較大時,ξ隨著θ的增大而下降的趨勢變緩,當θ=50°時,對應的ξ為7.47,相比θ=10°時下降了97.38%,而θ增大到90°時,ξ為0.58,較θ=10°時下降了99.80%,說明該擋板在小開度下流動阻力很大。為了降低擋板的阻力,保證設備的經濟運行,擋板的開度宜大于40°。

某電廠要求煙氣擋板在煙氣流速18 m/s下全開的阻力不超過100 Pa,根據式(1)換算成對應流阻系數,可得ξ為1.08,而數值模擬結果顯示θ=90°對應的阻力僅為54 Pa,流阻系數為0.58,可見,該擋板特性滿足工程實際的要求。

2.4 不同開度對應的煙氣擋板流量系數

流量系數表征流體在一定阻力下通過節流元件的流量,也可以用來評價流動特性,其計算公式[21]如下

(2)

式中:Cv為流量系數;Qv為煙氣流量,m3/h。

結合數值模擬結果和式(2)求得擋板的流量系數Cv,如圖7所示。

圖7 不同擋板開度對應的流量系數

從圖7可知:Cv隨θ的增大而增大。當θ≤10°時,Cv隨θ的增大而增長的趨勢較為緩慢;當θ=10°時,Cv為532.69;當θ=49°時,Cv為2 247.81,與θ=10°時相比增大了321.97%;當θ>10°后,Cv隨θ的增大而增加的趨勢較為迅速,θ=50°對應的Cv為3 291.89,比θ=10°時增大了517.97%,而θ=80°對應的Cv為10 059.31,較θ=10°時增大了1 788.40%。但是,當θ從80°增大為90°時,Cv隨著θ的增大而增加的速度略有下降,說明擋板在θ介于80°～90°之間的流量調節能力較弱,當θ=90°時,Cv最大,為11 775.72。

2.5 引風機全壓恒定時的煙氣質量流量特性

在實際應用過程中,由于煙道內煙氣的流動與相關引風機密切相關,了解擋板在引風機全壓恒定時的開度θ與煙氣質量流量Q之間的關系非常重要。本文根據某電廠實際運行需求,計算了當余熱利用裝置的引風機全壓為1 000 Pa時,煙氣質量流量Q與θ之間的關系。

當引風機全壓為100 Pa,即引風機入口壓力為-1 000 Pa時,假設從0壓點到引風機入口的煙道尺寸不發生改變,則煙氣速度不發生變化。根據伯努利方程,從0壓點到引風機入口處有

(3)

式中:ξ0為其他阻力系數,表示壓點和引風機之間擋板以外的其他所有阻力損失之和的阻力系數,在本文范圍內為常數。在上文數值模擬計算結果中,當θ=90°、u=18 m/s時,ξ=0.58的工況比較符合某電廠的實際運行需求,由此可得ξ0=10.23。將ξ0和ξ代入式(3),可以得到在引風機全壓為1 000 Pa下不同擋板開度θ對應的煙氣流速u,進而得到煙氣質量流量Q如圖8所示。

圖8 引風機全壓為1 000 Pa時擋板的質量流量

從圖8可以看出:當引風機全壓為1 000 Pa時,Q隨著θ的增大而增長;當1°≤θ≤60°時,Q隨θ的增大而增大的趨勢近似為線性,當θ=10°時,Q為3.52 kg/s,當θ=60°時,Q為16.28 kg/s;若θ>60°,Q隨著θ的增大而增大的趨勢逐漸變慢,當θ=70°時,Q為17.62 kg/s,當θ=80°時,Q為18.22 kg/s,而θ=90°時,Q最大,為18.4 kg/s。

根據某電廠鍋爐的運行需要,要求θ每變化10°,煙氣質量流量變化5%左右。為了優化擋板的開度區間,假設相鄰兩個計算開度之間的流量分布近似為線性,則可以得到引風機全壓為1 000 Pa時的煙氣質量流量與擋板開度之間的分段函數

(4)

由式(4)可以計算擋板開度θ與煙氣質量流量Q之間的對應關系。當θ=i時,對應的煙氣流量增長率qi的計算公式為

(5)

式中:Qi為θ=i時對應的煙氣質量流量,kg/s;Qi-1為θ=i-1時對應的煙氣質量流量,kg/s。

由式(5)計算可知:當θ≥17°時,θ每增大1°,流量增長率q近似等于或小于5%,說明擋板的流動調節能力較好;然而,在θ>80°后,θ每增大1°,流量增長率q僅為0.1%,說明此時擋板幾乎不具備調節流量的能力。因此,在擋板的實際工作過程中應盡量使常用開度避開0°～16°和81°～89°的區間,盡可能在開度17°～80°之間調節煙氣的質量流量。

綜合考慮前文計算得到的擋板的流阻系數特性和流量系數特性,建議該擋板的常用工作開度區間為40°～80°。

3 結 論

本文采用數值模擬方法,計算了煙氣速度為18 m/s時的煙氣擋板在9個開度下的速度云圖、壓力云圖、流阻系數和流量系數,分析了該擋板的流動特性,并結合某電廠鍋爐的實際運行情況,研究了該擋板在引風機全壓1 000 Pa下的質量流量特性,確定了該擋板的優化開度區間。

(1)對于速度云圖,當θ較小時,高速區主要集中在擋板開口處,并且煙道下游的高速區域的面積明顯大于上游;隨著θ的增大,煙道中高速區域變大,速度場均勻化程度變好,煙氣最大速度下降;當θ=90°時,煙道內速度場分布基本均勻。對于壓力云圖,當θ較小時,擋板前后壓力相差很大;隨著θ的增大,擋板前后壓力差變小,壓力場分布均勻性變好;當θ=90°時,擋板前后壓力非常接近,壓力場分布基本均勻。

(2)擋板流阻系數ξ與擋板開度θ大致呈反比例關系。當θ較小時,ξ隨θ的增大而減小的速度很快。若θ較大,ξ隨θ的增大而減小的趨勢趨于平緩。因此,建議擋板常用工作開度應大于40°。在煙氣速度為18 m/s的條件下,某電廠要求擋板全開阻力不得超過100 Pa,對應擋板流阻系數ξ為1.08,模擬計算得到θ=90°對應的ξ為0.58,滿足電廠實際運行的需求。

(3)擋板流量系數Cv隨著擋板開度θ的增大而增大,當θ較小時,其速度較慢;當θ較大時,其速度較快,而θ從80°增大為90°時,其速度略有下降。

(4)當余熱利用裝置的引風機全壓為1 000 Pa時,若θ≥17°,θ每增大1°對應的流量增長率q近似等于小于5%,擋板的流動調節能力較好。而θ>80°后,θ每增大1°對應的流量增長率q僅為0.1%,擋板流動調節能力很差。因此,該擋板的流動調節適用開度范圍為17°～80°。

(5)綜合考慮擋板流阻系數特性和流量調節特性,建議該擋板的常用工作開度介于40°～80°之間。