电除尘区低温省煤器烟道导流优化的数值模拟

王为术，路 统，陈 刚，姚明宇，杨智峰

(1.华北水利水电大学，河南 郑州450045;2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安710032;3.大唐三门峡发电有限责任公司，河南 三门峡472143)

电站锅炉的排烟(设计排烟温度120 ～140 ℃)损失为3% ～8%，排烟余热导致的能量损失较大.为回收余热、节能减排，文献［1－2］对低温省煤器进行了研究.为实现电站锅炉排烟余热节能改造的需要，在电除尘(Electrostatic Precipitator，ESP)区进出口分级设置低温省煤器，利用烟气余热加热汽轮机凝结水，可大幅度降低锅炉排烟温度［3］.ESP 区低温省煤器系统烟道气流流速偏差会降低低温省煤器换热效率［4］，还会造成磨损、冲刷，更为严重的是，烟道气流流速偏差会降低ESP 对烟尘颗粒的捕集效果［5－6］.可见，ESP 区低温省煤器系统烟道流场均化至关重要. 据研究，流场导流装置可有效均化流场.孙超凡等［7］采用数值模拟方法对布置有导流板的ESP 进行研究，分析了导流板的布置对ESP 运行的影响.刘明等［8］利用数值模拟技术对ESP 前烟道流场进行数值计算，研究该段烟道流场对ESP 的影响，并提出改造方案. 笔者基于FLUENT 6.3 软件，针对600 MW 机组ESP 区低温省煤器烟道流场均化导流方案优化设计进行数值模拟研究，以便为工程技术改造提供一些参考. 利用ICEM 软件对1 个烟道单元进行三维建模和网络划分.

1 数值模型与导流设计

1.1 网格模型

在锅炉的ESP 前后各加装1 个低温省煤器，所以，1 个烟道单元包括1 个ESP 和前后各1 个低温省煤器，针对改造前后烟道流场特性和导流优化设计进行数值模拟，如图1所示. 利用ICEM 软件对1个烟道单元进行三维建模和网格划分，如图2所示.

图1 烟道系统结构图

图2 烟道系统网格示意图

应用结构化/非结构化混合网格技术，对管屏与导流板处进行局部加密，在计算过程中通过逐步细化网格得到近似网格无关解，网格总数为400 万个.

1.2 数学模型与边界条件

采用FLUENT 6.3 软件进行数值模拟计算，气体湍流模拟是基于雷诺时均N－S 方程，选用RNG k ～ε 双方程湍流模型加以封闭［9］.

动量方程

湍动能方程

湍动能耗散率方程

式中:ui为流体平均速度;p 为流体压力;fi为沿i 方向的质量力;ρ 为水的密度;υ 为水的运动黏性系数;υi为涡黏性系数;Cμ取0.084 5;C1ε，C2ε为模型常数，分别取1.42，1.68;σk，σε为方程的Prandtl 数，都取1.39.

采用一阶迎风差分格式，隐式求解，选用SIMPLE 算法对压力速度进行耦合;同时采用壁面函数法处理近壁区域.

模型进口采用速度入口条件，入口流场为断面平均流速，模拟机组BMCR 工况;出口为自由出流;壁面粗糙度厚度取为0.5 mm.

1.3 速度偏差系数

采用速度偏差系数Cv来表征烟道内不同截面处速度分布的均匀程度，

式中:vi为截面上某点速度，m/s;为截面平均速度，m/s.

1.4 导流板的设计

为使烟道内的流场分布均匀，首先对无导流方案进行数值模拟，再根据模拟结果对导流板方案进行优化设计，得到导流板的安装位置、数量和形状，如图3所示.

图3 前、后低温省煤器导流板的设计安装图

2 计算结果与分析

2.1 无导流板时的速度分布特性

前低温省煤器入口中心纵截面速度分布如图4所示.

图4 前低温省煤器中心纵截面速度分布

烟气进入低温省煤器，首先由于烟道截面的扩大，烟气速度减小，扩展面速度降低较多;当烟气到达换热管屏时，速度已经分布不均，管屏截面下部速度最高达14 m/s，而上部速度最低只有6 m/s，上下部较大的速度差会对管屏的换热效果产生影响，造成局部冲刷;通过管屏换热区后，烟道开始缩小，烟气速度增大，速度最高达26 m/s，局部区冲磨严重.ESP 入口截面Y 方向速度分布(负值表示速度向下)如图5所示，在ESP 入口处，烟气向下的平均速度分量达3 m/s，当烟气进入ESP 后其方向将发生偏斜.ESP 入口气流速度不均会影响ESP 对烟尘颗粒的捕集.

图5 ESP 入口截面Y 方向速度分布

如图6所示，由于烟气带有较大的向下速度分量，烟气斜向冲刷ESP 底部，并且出现回流、漩涡现象，造成灰斗中过渡区二次扬尘，增大了ESP 内部烟气的能量损失，影响了ESP 的安全和工作稳定.

图6 尾部烟道系统中心纵截面速度分布

由图7可以看出，后低温省煤器入口中心纵截面速度分布如图7所示. 后低温省煤器与前低温省煤器相比，其扩充角度更大，导致烟气在到达换热管屏时分布不均，下部高速区流速达16 m/s，而上部低速区速度仅2 m/s，较大的速度差严重影响低温省煤器的换热效果.

图7 后低温省煤器中心纵截面速度分布

2.2 有导流板时的速度分布特性

针对前后低温省煤器内各安装1 组导流板并对安装导流板后的尾部烟道系统进行数值模拟. 安装导流板后，烟气在前低温省煤器、ESP 和后低温省煤器中的速度分布如图8—11 所示.虽然在前、后低温省煤器烟道扩充处速度仍然偏小，但由于导流板的作用，在换热管屏处，烟气速度的整体分布明显趋于均匀，上下速度梯度减小，有利于管屏处的换热;导流板削减了烟气向下的速度分量，ESP 入口处向下的平均速度分量为0.6 m/s，ESP 内烟气分配均匀，能量损失减小，保证了ESP 入口的气流条件，烟尘颗粒的捕集效率高且稳定，烟气对ESP 磨损减小.

图8 有导流板的前低温省煤器中心纵截面速度分布

图9 加导流板后ESP 入口截面Y 方向速度分布

图10 有导流板的尾部烟道系统中心纵截面速度分布

图11 后低温省煤器中心纵截面速度分布

2.3 速度均匀性分析

表1给出了加装导流板前后典型截面的最大速度偏差.由表1可以看出，加装导流板后，各个界面速度偏差均明显减小，尤其是换热管屏处，最大速度偏差系数减小了约30%，烟气在导流板的作用下分布趋于均匀.不同工况下各界面的最大速度偏差系数如图12 所示.由图12 可知，加装导流板后，各界面最大速度偏差系数均明显小于优化前. 在不同工况下，烟道内速度分布趋于均匀，流场内流体密度分布均匀性得到改善.

表1 加装导流板前后各截面最大速度偏差系数%

图12 不同工况下的最大速度偏差系数曲线

3 结 语

1)在ESP 区加装低温省煤器以后，导致烟道内速度场分布严重不均，影响了低温省煤器和ESP 的运行效率.

2)安装导流板可有效改变烟道内的流场结构，以达到设计的流体密度的均匀性分布要求;低温省煤器内加装导流板可降低换热管屏截面的速度偏差，保证了换热区域流场的均匀性.

3)低温省煤器出口的导流板对烟气向下的速度分量有削弱作用，使得ESP 内烟气分布均匀，减少了回流和漩涡的生成，对ESP 的稳定高效运行提供了保证.

4)通过变工况数值分析知，烟气流速对导流板的性能没有影响，因此，只需设计好额定参数下的优化方案即可.

［1］徐刚，许诚，杨勇平，等.电站锅炉余热深度利用及尾部受热面综合优化［J］. 中国电机工程学报，2013，33(14):1－8.

［2］王为术.节能与节能技术［M］. 北京:中国水利水电出版社，2012.

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［5］赵海波，郑楚光.单区静电除尘器捕集烟尘过程的数值模拟［J］.中国电机工程学报，2007，27(2):31－35.

［6］赵海波，郭欣，郑楚光.300 MW 燃煤锅炉静电除尘器的现场实验和数值模拟［J］.热能动力工程，2008，23(3):259－264.

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