淺談電除塵器流場的優(yōu)化設(shè)計

羅毅

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司 福建龍巖 364000）

0 引言

近年霧霾事件頻發(fā)，政府對燃煤電廠等顆粒物排放大戶提出了低濃度排放改造要求，總體要求顆粒物排放濃度不高于20 mg/m3［1］，有的地區(qū)甚至低于10 mg/m3［2］。電除塵器在我國電力行業(yè)得到廣泛的運(yùn)用，作為前端處理的除塵設(shè)備，其提效改造空間較大。影響電除塵器高效運(yùn)行有設(shè)計、制作、安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)等因素，其中因設(shè)計不合理導(dǎo)致氣流分布不均對電除塵器影響很大，不亞于電場內(nèi)作用于粉塵粒子的靜電力對除塵效率的影響，可使除塵器的效率降低20%～30%［3］。本文通過實例，分析了如何準(zhǔn)確進(jìn)行流場優(yōu)化的方法，為電除塵器流場的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 流場不均對除塵效率的影響

對電除塵器流場造成影響的客觀因素主要有：煙道布置；導(dǎo)流板設(shè)置（布設(shè)位置）；喇叭型煙箱擴(kuò)張角、氣流分布板開孔率；除塵器進(jìn)出口喇叭型煙箱與管道和風(fēng)機(jī)的聯(lián)接形式等。流場不均對除塵效率的影響主要有下列2 個方面。

（1）流速低區(qū)域的粉塵在電場中的停留時間增加，被收集的概率增大，但無法彌補(bǔ)流速高區(qū)域造成的負(fù)影響。

（2）流速高的區(qū)域易將吸附在極板或極線上的粉塵剝離，造成二次揚(yáng)塵；流速低的區(qū)域粉塵收集的量大，可能造成反電暈、積灰堵塞現(xiàn)象。

2 優(yōu)化設(shè)計方法

在現(xiàn)場空間位置有限導(dǎo)致管道設(shè)計不佳的情況下，可通過合理設(shè)計導(dǎo)流板位置、分布板開孔率等措施來提高流場的均勻性。初步可依據(jù)相關(guān)的氣流均布裝置的手冊與資料進(jìn)行設(shè)計，但由于流體的復(fù)雜性，應(yīng)盡可能在試驗中加以應(yīng)用和驗證，確保成為最優(yōu)設(shè)計。電除塵器流場均勻性試驗一般包括2部分內(nèi)容：①各室煙道流量分配；②電場斷面內(nèi)氣流分布。

目前，對電除塵器流場的優(yōu)化試驗主要為物理模型試驗和計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬，二者各有優(yōu)勢，相互補(bǔ)充。一方面，數(shù)值模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確，一般需要通過物理模型試驗去佐證；另一方面，借助CFD 數(shù)值模擬，不僅大大減少試驗的工作量、縮短研究周期，而且能更全面、深刻地認(rèn)識流動現(xiàn)象［4-5］。本文以某臺2×1 000 MW 機(jī)組配套的電除塵器為例，采用CFD數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的方法，對電除塵器的流場分布進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，為電除塵器的設(shè)計提供參考。

2.1 CFD 模擬方法

電除塵器系統(tǒng)流場優(yōu)化分析流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬優(yōu)化流程

首先，根據(jù)初步設(shè)計建立電除塵器進(jìn)氣煙道、本體模塊和電除塵器出氣煙道等結(jié)構(gòu)的三維計算域；其次，通過劃分網(wǎng)格將計算域離散化，并設(shè)置邊界條件；然后將網(wǎng)格導(dǎo)入CFD 計算程序進(jìn)行計算求解，并根據(jù)模擬結(jié)果提出優(yōu)化措施，分析流場分布情況直到符合設(shè)計要求。

（1）建立三維模型。根據(jù)提供的圖紙建立與電除塵器原型比例為1∶1的CFD 模擬模型，模擬范圍主要包括進(jìn)出氣煙道、導(dǎo)流板、進(jìn)出口喇叭型煙箱（孔板、槽型板）、殼體、極板、灰斗、低溫省煤器等。由于部分部件的復(fù)雜性和不確定性，在實際模型設(shè)計時進(jìn)行了簡化處理。

（2）網(wǎng)格劃分策略。模型的網(wǎng)格劃分是進(jìn)行計算的基礎(chǔ)，基于模型整體考慮，本模擬采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高模擬結(jié)果的合理性，對網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木植考用堋?/p>

（3）選擇數(shù)學(xué)模型。在進(jìn)行數(shù)值模擬時，正確選擇數(shù)學(xué)模型是一個非常重要的步驟。本文采用工程上廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)模型——SIMPLE 算法，基本方程為連續(xù)性方程、動量方程。

①連續(xù)性方程：

②動量守恒方程（Navier-Stokes 方程）：

③k 方程（湍流動能方程）：

④湍流耗散率方程：

2.2 物理模型

為了對CFD 模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，根據(jù)《電除塵器 氣流分布模擬試驗方法》的規(guī)定，確定以1∶12的比例建立電除塵器物理模型，如圖2 所示，模型主要包括進(jìn)出口煙道、進(jìn)出口喇叭型煙箱及氣流均布裝置、電除塵器本體等。在滿足幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似的條件下，對物理模型各部分的氣流分布進(jìn)行測試。

圖2 物模布置圖

3 結(jié)果對比及分析

圖3 為優(yōu)化方案，圖3（b）表示除塵器前端煙道［圖3（a）］氣流進(jìn)入電場前經(jīng)過的第三層孔板，通過這塊孔板來調(diào)節(jié)整個斷面的流速分布，不同位置的百分率代表這塊區(qū)域的開孔率，根據(jù)實際風(fēng)速來調(diào)整。表1 為流場優(yōu)化前后的匯總表，從表中可知，優(yōu)化后，各室流量偏差和電場斷面速度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均有了明顯改善，符合設(shè)計要求，且CFD 模擬結(jié)果與物模試驗結(jié)果相近。

表1 煙道流量分配及電場入口斷面速度分布均勻性

圖3 優(yōu)化方案

圖4 為CFD 模擬電除塵器進(jìn)口煙道流場分布圖，從圖中可以看出，優(yōu)化前煙道內(nèi)流場分布較差，存在渦流，彎頭內(nèi)側(cè)數(shù)值較大，左右兩室流量偏差大。通過在煙道內(nèi)彎頭和流量較大的右室增設(shè)導(dǎo)流板后，消除了煙道內(nèi)的渦流，改善煙道內(nèi)的氣流分布均勻性和各室的流量偏差。

圖4 優(yōu)化前后電除塵器煙道流線圖

圖5 為優(yōu)化前后電場入口斷面速度分布CFD 模擬結(jié)果，從圖中可以看出，優(yōu)化前電場入口斷面速度分布較差，斷面中上部和下部存在部分低速區(qū)，中下部存在高速區(qū)。通過調(diào)整進(jìn)口喇叭孔板開孔率后，部分區(qū)域速度高低明顯的情況得到明顯改善。

圖5 優(yōu)化前后電場入口斷面速度分布圖

4 結(jié)論

（1）通過CFD 模擬可以快速直觀地反映電除塵系統(tǒng)內(nèi)的流場分布情況，便于對流場進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

（2）CFD 模擬與物模試驗對比結(jié)果顯示兩者趨勢較為一致，表明CFD 模擬可以較準(zhǔn)確地反映電除塵器內(nèi)的流場分布情況，為電除塵器流場的優(yōu)化設(shè)計提供參考。