200MW循環流化床機組尾部雙煙道流場數值研究

摘要：針對某200MW循環流化床鍋爐，采用數值模擬方法研究了不同過熱器側煙氣擋板開度和不同煙氣量下該鍋爐尾部煙道區域煙氣流動特性和空預器入口處煙氣量分配特性。結果表明：煙氣擋板的阻流作用會導致其背面形成低速回流區，煙氣擋板開度減小和煙氣量降低均會導致回流區增大；在所選工況范圍內，過熱器側煙氣擋板開度變化直接影響到雙煙道內煙氣量的分配，但對一、二次風空預器的煙氣量分配影響較小，僅在2.5%范圍內變化；爐膛出口煙氣量越高，一、二次風空預器分配到的煙氣量越接近50%。

關鍵詞：循環流化床；尾部雙煙道；過熱器擋板；數值模擬

隨著國家對燃煤電廠排放要求的提升，很多電廠都進行了超低排放改造，改造后機組往往偏離設計運行方式。對于采用尾部雙煙道通過煙氣擋板調節主再熱氣溫的鍋爐，運行工況發生偏離會導致其煙氣流場發生變化，直接影響主再熱蒸汽溫度和爐膛內部負壓的調節［13］，也會影響與其相連接的各設備運行的狀態［4］。

趙子斌等［5］對1000MW機組尾部煙道幾個重點區域進行了全流程流場研究，提出了優化及節能耦合技術方案，有效提升機組運行過程中的安全性和經濟性。樊樺等［6］數值研究了不同煙氣擋板開度下的流動特性，綜合考慮阻流系數和流量調節特性，得到了適合的擋板開度范圍。高志勇［7］和蔣華等［8］對鍋爐尾部煙道進行了分段數值研究，并提出了改造優化方案，優化了煙道內煙氣流動的均勻性，有效降低了煙道阻力，提升了機組運行的經濟性。劉帥等［9］針對二次再熱鍋爐，數值研究了尾部三煙道的流量分配特性，得到了單一煙道內流量的調節范圍。

本文針對某200MW循環流化床機組尾部豎直雙煙道區域，基于CFD軟件數值研究了不同煙氣量和不同過熱器擋板開度對煙道流動特性的影響，為該鍋爐后續優化運行和技改提供理論依據。

1設備概況及計算方法

1.1設備概況

某電廠200MW機組鍋爐為東方鍋爐廠生產的超高壓、自然循環、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣的循環流化床汽包蒸汽鍋爐。該鍋爐尾部采用雙煙道設計方式，分別布置了過熱器和再熱器，在省煤器入口上方布置了煙氣調節擋板，通過調節雙煙道內煙氣的流量來控制主、再熱蒸汽溫度。機組超低改造后，爐膛出口煙氣溫度降低，在日常運行過程中，為保證再熱蒸汽的溫度，過熱器側煙氣擋板長期處于20%～30%的開度，再熱器側煙氣擋板為全開狀態，導致豎直雙煙道煙氣量產生較大偏差。

1.2數值計算方法

本文的研究對象為鍋爐空預器前的尾部煙道區域，根據實際尺寸1∶1建立物理模型，如圖1所示。基于計算流體力學軟件，采用多面體非結構化網格對尾部煙道模型進行網格劃分，在受熱面區域，由于通流區域尺寸較小，對該區域的網格進行了局部加密。數值模擬過程采用三維模型穩態計算，將煙氣視為不可壓縮流體，采用Realizablekε雙方程模型計算流場，采用增強壁面函數進行修正。煙氣入口采用速度入口，出口為自由出流。

數值計算參數范圍：煙氣量332～746Nm3/h，過熱器擋板開度30°～60°，再熱器擋板為全開狀態。鍋爐配置管式空預器，省煤器出口處二次風側占比53.67%，一次風側占比46.33%。

2計算結果及分析

2.1速度分布

圖2為煙氣量為746Nm3/h時，不同過熱器側煙氣擋板開度下尾部煙道內速度分布。

由圖2可以看出，煙氣流經受熱面時，由于通流面積變小，流速明顯升高。當過熱器擋板開度從60%關小到30%時，再熱器煙道煙氣流速升高，過熱器煙道煙氣流速降低，表明煙氣量向再熱器煙道偏移。由圖2還可以看出，當煙氣流經煙氣擋板時，由于擋板對煙氣的阻流作用，使得擋板背面形成低速回流區，在煙道中心區域回流區域較大，且隨著煙氣擋板開度的z9TdSnv8GDgV6w7wUpo7TtFVxB9atdpI2uJBUxbIdpU=減小會導致低速回流區域變大，這個回流區導致進入省煤器的局部煙氣流場發生紊亂，易造成該區域省煤器管道磨損，對機組運行產生安全隱患。再熱器煙道流出的煙氣受到回流區的影響，向過熱器方向偏移。當煙氣流經省煤器時已基本混合，一次風空預器入口處煙氣局部流速高于二次風空預器入口處的煙氣流速。

圖3為過熱器側煙氣擋板開度30°時，不同煙氣量下尾部煙道速度分布。由圖3可以看出，隨著煙氣量的降低，尾部煙道內煙氣流速明顯下降，當過熱器煙氣擋板開度不變時，煙氣量變化對再熱器煙道和過熱器煙道速度分布影響不大，不同工況下再熱器側煙道內煙氣流速明顯高于過熱器側。由圖3還可以看出，由于過熱器側煙氣擋板阻流產生的低速回流區對省煤器區域煙氣流場影響較大，隨著煙氣量的降低，煙氣擋板下方低速回流區面積增大，但一次風空預器和二次風空預器入口速度偏差降低。

2.2空預器入口煙氣量分布

圖4為不同煙氣量下過熱器側煙氣擋板開度變化時，空預器入口煙氣量分布。由圖4可以看出，在中低煙氣量工況下，隨著過熱器煙氣擋板開度的提高，一次風空預器分配的煙氣量先升高后降低，二次風空預器分配到的煙氣量先降低后升高；在高煙氣量工況下，煙氣擋板開度越大，一次風空預器分配到的煙氣量越高。但不同煙氣量下，過熱器側煙氣擋板開度變化對一、二次風空預器所分配到的煙氣量的影響在2.5%波動，對實際運行時空預器換熱性能影響不大。

圖5為不同過熱器擋板開度下煙氣量變化時，空預器入口煙氣量分布。由圖5可知，當過熱器擋板開度不變，煙氣量提升時，一次風空預器煙氣量降低，二次風空預器煙氣量升高，煙氣量越高，一次風空預器和二次風空預器所分配到的煙氣量越接近50%。由圖5還可以看出，擋板開度越小，煙氣量變化對一、二次風空預器的煙氣分配影響越大。但隨著煙氣量的變化，一次風空預器和二次風空預器分配到的煙氣量比例在46%～54%之間，煙氣量變化對空預器入口煙氣量分配的影響高于過熱器擋板開度變化的影響，但對實際運行中的空預器換熱影響不大。機組負荷越低，一次風側的煙氣量越少，但在實際運行過程中，機組一次風率較設計值偏高，這就容易導致中低負荷時，空預器換熱性能有所降低，排煙溫度較設計值升高。

3結論

（1）過熱器側煙氣擋板開度較小時，由于擋板對煙氣的阻流作用，在煙氣擋板背面區域形成一片低速回流區，易導致該區域的省煤器管子磨損加劇，并且煙氣量越小，低速回流區越大。

（2）中低負荷煙氣量下，一次風空預器分配到的煙氣量隨過熱器側煙氣擋板開度增大而先增加后減少，高負荷煙氣量下過熱器擋板開度越大，一次風空預器分配到的煙氣量越多。煙氣量越大，一、二次風空預器分配到的煙氣量越接近50%。

（3）在所選工況范圍內，過熱器側煙氣擋板開度變化對一、二次風空預器煙氣量分配的影響在2.5%以內變化；爐膛出口煙氣量變化時，一、二次風空預器所分配到的煙氣量比例在46%～54%之間變化，這兩個因素變化對空預器的換熱能力影響不大。

參考文獻：

［1］孫超.電站鍋爐煙氣擋板汽溫調節特性研究模擬［D］.北京：華北電力大學，2011.

［2］王月明，牟春華，姚明宇，等.二次再熱技術發展與應用現狀［J］.熱力發電，2017，46（08）：110+15.

［3］許威，張劍，范浩杰，等.基于響應面分析的660MW靈活二次再熱鍋爐汽溫特性研究［J］.熱能動力工程，2020，35（02）：110116.

［4］盧權，郝劍，李文韜，等.燃煤電站鍋爐尾部煙道流場數值模擬分析及改造［J］.熱能動力工程，2017，32（12）：6672+139140.

［5］趙子斌，陳城，李榮春，等.1000MW燃煤機組尾部煙道全流程流場優化［J］.發電設備，2023，37（02）：7581.

［6］樊樺，吳東垠.煙氣擋板流動特性的數值模擬［J］.西安交通大學學報，2021，55（02）：9399.

［7］高志勇.600MW燃煤鍋爐煙道流場優化改造研究［J］.中國高新科技，2023（17）：113115.

［8］蔣華，蒲萬里，陳欣.燃煤電站鍋爐尾部煙道阻力特性數值模擬和優化研究［J］.鍋爐技術，2021，52（04）：1619.

［9］劉帥，丁浩植，張凱，等.二次再熱鍋爐尾部三煙道流量分配的數值模擬［J］.電站系統工程，2021，37（03）：79+12.

作者簡介：衡曉峰（1975—），男，漢族，江蘇徐州人，大專，工程師，研究方向為電站鍋爐燃燒優化；黃志豪（1996—），男，漢族，河南信陽人，碩士研究生，助理工程師，研究方向為多相流動傳熱和計算流體力學；聶蓉旭（1974—），男，漢族，陜西咸陽人，本科，高級工程師，研究方向為火電廠節能減排；劉彬科（1971—），男，漢族，陜西咸陽人，大專，助理工程師，研究方向為鍋爐設備管理與維護。