煙氣系統優化改造對空預器入口流場分布影響研究

劉勇先 王正發 羅偉 周洪 馬翔

（1、貴州省習水鼎泰煤電開發有限責任公司，貴州習水 5646112、西安熱工研究院有限公司鍋爐系統及環保事業部，陜西西安 710054）

1 研究背景及意義

為了提高火電廠的發電效率，減小環境污染，可以采用大容量、高參數機組，各種聯合循環，優化系統運行與電廠管理等方法。隨著火電廠節能減排工作的深入，針對火電廠的各個子系統進行經濟性研究，對運行有缺陷或者能耗較高的系統環節進行優化改造成為目前的火電廠節能減排工作的研究重點。

提高電站鍋爐煙風煤粉管道的設計水平、提高風機實際運行效率，對火電廠優化運行和節能減排具有非常重要的意義。

在運行過程中，兩臺機組空氣預熱器（下文簡稱：空預器）存在內部流場不均的情況，導致運行中存在空預器堵塞，阻力較大的情況。同時，還導致空預器內部磨損嚴重，機組運行的經濟性和設備可靠性受到極大影響。因此，非常有必要通過建模計算，分析空預器進口煙道內流分布，采用加設內部導流板的方式來優化內部流場，降低系統阻力，優化設備運行。主要研究目的在于：

（1）建立空預器進口煙道及空預器三維模型，通過數值模擬軟件進行內流計算。

（2）在數值計算的基礎上，進行空預器進口煙道內部流場的實際分布測試。

（3）通過實際測試值與計算值的對比，分析內流混亂的原因，并根據空氣動力學原理，設計新型導流板形式及布置位置。

（4）通過數值計算，對內流進行計算，驗證優化效果，如效果不佳則進行調整設計，最終實現優化內流分布的效果。

2 空預器入口煙道流場分布數值模擬及試驗研究

2.1 現有空預器入口布置情況

現有脫硝出口至空預器進口段煙道布置情況如圖1 所示。如圖所示，現有煙道設置有兩個彎頭，其中，90°彎頭處設有3片導流板，另一個彎頭處沒有導流板。該種布置方式，煙氣會在較短范圍內連續折轉，無法保證為空預器提供良好的進氣條件。

圖1 脫硝出口至空預器入口速度云分布圖

2.2 計算模型的建立

2.2.1 邊界條件

660MW 工況：進口邊界條件為速度邊界條件（根據工況煙氣流量換算得來，并給定進口煙氣密度）；出口邊界條件為壓力邊界條件，壁面邊界條件為無滑移壁面，對稱中分面設置對稱邊界條件，動力粘性系數為2.00×10-5Pa·s。

計算域為1 號機組脫硝出口至空預器進口段煙道。

2.2.2 網格劃分

對計算區域進行非結構網格劃分，網格總數為200 萬，對邊界層區域進行加密。

2.2.3 數值計算煙道內部流場分布圖

目前脫硝出口至空預器入口速度云分布圖如圖1 所示，對空預器入口截面示意圖見圖2，對空預器入口截面速度云分布圖見圖3。

圖2 空預器入口截面速度云分布圖

圖3 兩種優化思路對比

通過圖1、2，可以看出現有空預器入口煙道內部煙氣流動存在較為明顯的流動分離現象；煙氣主要集中在前墻側，后墻側煙氣量較少。且空預器入口的煙氣流動速度分布不均勻，在圖2 的淺色區域的流動速度較高，更容易造成空預器內部換熱元件的磨損；而藍色區域的流動速度較慢，則容易在局部產生積灰及造成換熱元件堵塞。

3 現場熱態試驗測試結果分析

為了印證數值計算結果的可靠性，在同一機組660MW 工況負荷下，對兩側空預器入口的煙氣流速分布情況進行了測試，測試結果與CFD 數值計算的分布情況基本吻合。

由表1 中數據反映的情況，可以明顯看出在滿負荷工況運行時，空預器入口仍然存在較大的低速區域；而相對而言，部分區域的煙氣流動速度已超過國家最低標準要求的15m/s。現有空預器入口煙道存在明顯的速度不均現象。

表1 空預器實測入口速度分布統計表

4 優化思路及工程實施

根據空預器入口煙氣流動分離現象明顯的特點，對脫硝出口至空預器入口煙道提出了兩類改造思路：

優化思路一：在第一個彎頭處，將彎頭內部回轉半徑由800mm 增加至3000mm，并在第二個彎頭處，均勻布置4 片導流板，導流板詳細尺寸詳見圖3。

優化思路二：在第一個彎頭處，設置2 片導流板；在90°彎頭處，均勻布置4 片導流板。

4.1 兩種優化思路對比分析

為了更直觀地對比空預器入口煙氣進氣條件優化前后的效果，圖4 給出了脫硝出口至空預器進口段煙道優化前后的流線圖。

（1）在原始煙道布置方案中，氣流在兩個彎頭處均有明顯的流動分離，流場速度均勻性差，流動損失大。

（2）相對于原始方案而言，優化思路一和優化思路二均在煙道合理設置了導流板，內部流場得到了明顯改善，而且優化思路二煙道內部流場均勻性明顯好于優化方案一。整體而言，優化思路一較原始方案煙道內部流場得到了改善，而優化思路二煙道內部的流場均勻性和流動分離的改善更為明顯，是更優的優化思路。

圖4 為原始方案、優化思路一和優化思路二空預器入口煙道內部速度流線分布圖的對比情況。其中：

圖4 脫硝出口至空預器進口段煙道速度矢量圖

（1）原始方案內部流動分離現象最為明顯，彎頭處存在局部渦流區，流動均勻性較差。

（2）優化方案一在空預器入口90°彎頭處均勻布置4 片導流板后，空預器入口流動均勻性得到有效的改善，但脫硝出口處仍存在明顯的流動分離現象，優化效果有限。

（3）優化方案二在優化方案一的基礎上，在脫硝反應器出口彎頭處單獨布置2 片導流板，使得整個脫硝出口煙道喉部流動均勻性得到有效的改善，空預器入口煙氣流動均勻性得到進一步提升。

圖5 為原始模型、優化思路一和優化思路二空預器入口煙道內部速度流線分布圖的對比情況。

圖5 空預器進口截面速度云圖

4.2 空預器入口流速分布對比分析

均勻性較差，優化思路一改造后速度均勻性有所提升，而優化思路二改造后速度均勻性改善更為明顯。

目前空預器存在內部流場不均的情況，導致運行中存在空預器出現了堵塞和磨損問題。因此，為了更好地分析空預器進口流場狀況，本文通過截取空預器進口截面速度云圖進行分析。空預器進口截面（即本次計算域出口截面）示意如圖5 所示。

圖5 給出了空預器進口截面原始模型和按兩種優化思路改造后的計算出的速度云圖。空預器進口截面，原始模型速度

4.3 最優思路煙道阻力分析

為了獲得脫硝出口至空預器進口段煙道的煙道阻力，本報告通過提取計算域內相應截面的總壓來計算煙道阻力，計算結果如表2 所示。

由表2 可知，在660MW 工況下，原始模型脫硝出口至空預器進口段煙道總壓損失為220Pa，優化思路一該段煙道的總壓損失為141Pa，而優化思路二該段煙道的總壓損失為108Pa。由計算可知，優化思路一相對于原始方案的平均總壓損失下降了79Pa，換算成百分比，下降了36%；優化思路二相對于原始方案的平均總壓損失下降了112Pa，換算成百分比，下降了51%。

表2 A 側空預器入口速度分布統計表

4.4 實測結果

電廠在引增風機合一改造前后均進行了試驗測試，改造前滿負荷工況下脫硝出口至空預器進口煙道整體阻力為355Pa，改造后脫硝出口至空預器煙氣側入口煙道阻力為215pa，煙道阻力下降40.0%。計算值與實測值偏差在工程應用允許的10%以內，煙道阻力下降明顯。

對空預器入口的流場分布情況進行了實測，測試位置位于90°彎頭下方2m 處，測試采用現場皮托管測量，測試負荷600MW。測試結果如表2 所示。

對比表2 與第3 節的表1，空預器入口的流場速度分布不均的情況得到了有效的改善；一方面，低速區域幾乎消失；另一方面，流速過高的區域也幾乎全部得到了改善。空預器積灰及磨損情況將得到有效的緩解。

4.5 節能效果分析

煙道經過改造后年節電量277477kW·h，年可節約費用9.18 萬元，經濟效益較為明顯（見表3）。

表3 改造經濟性分析

5 結論

在大型火力發電站進行深度節能的大背景下，本文探究了煙氣系統局部優化后，對煙氣流場分布將產生比較明顯的效果，通過特定的優化方案可以改善煙道系統效應，從而改善空預器進氣條件，從而改善空預器的積灰及磨損情況。結合某工程實例，得到如下結論：

5.1 對于脫硝反應器出口存在減縮型煙道的情況，可以結合現場實際情況，可以采取改大拐彎半徑或者布置導流板的方式，調整反應器的速度分布，避免在下游煙道底部或其他區域產生積灰堆積或磨損現象。

5.2 對于空預器入口彎管，在內彎過后容易出現流動分離現象，在空預器入口位置產生渦旋，最終導致空預器入口流場分布不均，局部流速過低容易引起積灰，局部流速過高則加速換熱元件磨損。可以通過在彎道內部布置導流板的方式，通過導流板均流后，再進入空預器，這樣可以有效緩解空預器的堵塞和磨損，還可以降低局部的煙道阻力。

5.3 某660MW 電廠將脫硝出口至空預器入口煙道進行了優化改造，在脫硝出口喉部煙道及空預器入口彎頭增加了導流板后，空預器入口煙氣速度分布得到了有效改善，煙道總阻力下降了40%，內部流場均勻性得到了極大改善，經濟效益明顯。