湿式电除尘器前烟道内导流板和均流板布置方案研究∗

陈得胜 彭旭东 张 虎 郑 金 张国富

（1.西安热工研究院有限公司；2.皖能合肥发电有限公司）

湿式电除尘器前烟道内导流板和均流板布置方案研究∗

陈得胜1彭旭东2张 虎1郑 金1张国富1

（1.西安热工研究院有限公司；2.皖能合肥发电有限公司）

湿式电除尘器进口烟气流动的均匀程度对除尘器电耗和除尘效率有重要的影响。为此，本文针对国内某320MW机组脱硫塔至湿式电除尘器段烟道，提出了一种导流板和均流板的布置方案，运用数值模拟的方法对原始烟道和优化方案分别进行了计算。数值计算的结果表明，与原始烟道相比，导流板和均流板布置方案不仅明显改善了烟道内部流场的均匀性，而且大幅降低了烟道进、出口截面的总压损失。

湿式电除尘器；导流板；均流板；流场均匀性；总压损失

0 引言

由于我国环境整体状况恶化，环境矛盾日益凸显，各级政府陆续出台多项政策，大力治理环境污染，改善空气质量。近日，多部门联合发布《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求2020年前燃煤机组全面实施超低排放和节能改造。超低排放标准要求烟气中粉尘排放浓度低于5mg/Nm3（该浓度为基准氧含量折算排放浓度，其中燃煤锅炉基准氧含量取 6%，燃气轮机组取15%）[1]。

湿式电除尘器（WESP）作为烟气终端净化设备，采用水清灰方式，可高效控制PM2.5粉尘、SO3酸雾、气溶胶、汞、重金属等复合污染物，在许多工业领域被国际社会认为是“最大可完成控制技术”（Maximum Achievable Control Technology）。湿式电除尘器在满足超低排放、治理PM2.5的效果也得到了国内专家的一致认可，在环保部发布的《环境空气细颗粒物污染防治技术政策（试行）》（征求意见稿）中鼓励电力企业应用[2]。

火电厂烟风道用于输送烟气、冷风等介质，其设计水平不仅影响烟风系统阻力，而且影响与烟风道相连各设备的运行状态[3]。具体而言，湿式电除尘器前的烟道连接了脱硫塔和湿式电除尘器，并将烟气分配到除尘器各整流格栅，除尘器进口烟气分配的均匀程度会对除尘器电耗和除尘效率产生显著的影响。马修元等人针对国内某330MW机组湿式电除尘器进口烟道内部的导流板、π型气流均布板、整流格栅和均流板等装置进行了数值研究，研究的结果表明，采用最佳导流布置方案可以使进口烟气流场气流均布系数达到0.138，明显低于设计要求[4]。针对除尘器进口烟道气流流场不均匀的问题，国内学者对不同容量的机组开展了优化研究[5-9]，通过数值计算方法对该段烟道内部导流板和均流板的布置方案进行优化设计，提出的设计方案取得了良好的优化节能效果。然而，这些研究大多数对均流板的结构进行了简化，并未充分考虑其实际结构，因此有必要对均流板实际结构对流场的影响做进一步的研究。为此，本文针对国内某320MW机组脱硫塔至湿式电除尘器段烟道进行优化设计，并用CFD数值方法对原始烟道和优化方案进行对比分析，最终提出了该段烟道的优化布置方案。

1 计算模型和数值方法

1.1 计算模型

国内某320MW火电机组脱硫塔出口至湿式电除尘器（其中，湿式电除尘器用长方体做了简化）的烟道模型如图1所示，从图中可以看出，脱硫塔出口烟道先经过一处弯头，然后经过两处扩散段连入湿式电除尘器。显然，气流先经过折转，然后在两处扩散段因扩散效应会产生局部损失，这样，湿式电除尘器的进气条件不会很理想。

图1 脱硫塔出口至湿式电除尘器原始烟道图Fig.1 The original flue duct from desulfurization tower outlet to wet electrostatic precipitator

为了使湿式电除尘器获得更佳的进气条件，本文结合设计经验和现场烟道布置情况，提出了采用导流板和均流板综合布置方案（下文简称“优化方案”）来改善湿式电除尘器进口的进气条件。为了更清晰的显示原始烟道和优化方案的进气效果，本文采用数值模拟方法对原始烟道和优化方案的内部流场进行了对比分析，进而对导流板和均流板布置方案的效果进行评判。同时，对影响该段烟道性能的主要参数展开研究，希望可以为湿式电除尘器进口烟道优化设计提供可以借鉴的原则和方法。

1.2 数值方法

1.2.1 计算模型

烟道内部为复杂的三维湍流流场，在数值计算时，假设流场为等温定常流动，流体不可压缩，采用了工程上应用广泛的标准模型，其控制方程如下：

连续方程：

运动方程：

湍流动能k方程：

耗散率ε方程：

式中：ρ为流体密度；t为时间；Fi为微单元流体所受的i方向的力；p为微单元流体的压强；μ为流体运动粘度；xi，xj，xk分别为i，j，k方 向的位移；ui，uj，uk分别为i，j，k方向的速度分量；分别为i，j方向的平均速度分量。

G为湍流生成项，其关系式为：

上述公式中各常数的取值分别为：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。对于壁面附近的区域，采用标准壁面函数法修正。

1.2.2 边界条件

进口边界条件为速度边界条件，速度值为12.12m/s（根据烟气质量流量换算得来，其中密度ρ=1.157 6kg/m3）；出口边界条件为压力边界条件，取大气压力；壁面边界条件为无滑移壁面。

1.2.3 网格划分

如图2所示，对计算区域进行网格划分，生成分块结构化网格。针对该种网格划分方式，分别生成82万，152万，220万，332万，453万和800万六种数目的网格。分别对不同数目的网格，计算该段的烟道的总压损失，计算结果如图3所示。由图3可知，当计算网格数大于453万以后，该段烟道的总压损失变化幅度已经不大，网格独立。本文数值计算采用的网格数为453万。

图2 计算网格模型示意图Fig.2 Schematic diagram of computational grid model

图3 网格独立性验证Fig.3 Grid independence verification

2 烟道优化方案

本文烟道优化设计有如下几个原则：

1）最大程度的利用原有烟道，仅作局部变动（如增设导流板与均流板等）；

2）改善烟道内部流场，使湿式电除尘器进口的气流分布更加均匀；

3）尽量降低该段烟道的阻力。

基于上述设计原则，结合具体工程设计经验，本文提出了如下烟道优化改造方案：在烟道折转处不均匀布置2块导流板，然后在其后扩散段烟道均匀布置6块导流板，最后在湿式电除尘器进口前轴向距离0.6m的位置布置1块均流板，均流板的孔洞均为正方形，边长为0.2m，整块均流板开孔率为0.6。最终烟道改造方案如图4所示。改造方案的网格划分方法与原始烟道相同，只是在导流板和均流板处进行了面关联，设置为壁面边界，并在局部进行了加密处理，详细的划分方法如图5所示。

图4 烟道优化改造方案Fig.4 The flue gas optimization scheme

图5 烟道优化改造方案导流板和均流板网格模型示意图Fig.5 Schematic diagram of computational grid for the flue gas optimization scheme

3 数值计算结果与分析

3.1 流场特性分析

3.1.1 整体流场分布

图6给出了原始烟道和优化方案在320MW工况下的烟道内部流线图。由图6可知，对于原始烟道，湿式电除尘器前的烟道存在着两个明显的涡系结构，气流流动损失很大，均匀性很差；而对于优化方案，湿式电除尘器前的流场明显得到了改善，流场内部没有涡系结构，也没有明显的气流分离，气流流动更加均匀。

图6 原始烟道和优化方案烟道内部流线图Fig.6 The streamline diagram of original flue duct and optimization scheme

3.1.2 湿式电除尘器进口截面流场分析

为了对湿式电除尘器进口截面的流场均匀性有更清楚的了解，本文截取了湿式电除尘器进口截面，并对该截面的流场进行分析。湿式电除尘器进口截面的示意图如图7所示。

图8给出了原始烟道和优化方案在湿式电除尘器进口截面的速度云图。由图8可知，对于原始烟道，在该截面的速度分布均匀性很差，中间区域存在着一个面积较大的高速区，而高速区周围的流场气流流速较低，气流分布不够理想；而对于优化方案，流场速度分布变得非常均匀，流场无明显的高速区，气流的均匀性得到了显著的提高。

图7 湿式电除尘器进口截面示意图Fig.7 Schematic diagram of inlet section of wet electrostatic precipitator

图8 原始烟道和优化方案除尘器进口截面速度云图Fig.8 The velocity contour of precipitator inlet section for original flue duct and optimization scheme

为了更好的分析湿式电除尘器进口的速度均匀性，定义速度均匀性系数δ的表达式如下[4]：

其中，vi为除尘器进口截面若干个离散点处的速度值，而vˉ为除尘器进口截面若干个离散点处速度的平均值。通过计算得到，湿式电除尘器出口截面平均速度vˉ=2.405，原始烟道的速度均匀系数 δ=1.095，而优化方案的速度均匀系数δ=0.208，满足湿式电除尘器进口气流均匀系数δ＜0.25的设计要求[4]。通过对速度均匀性系数δ的对比可以看出，优化方案使得湿式电除尘器进口截面速度均匀性得到了改善，可以为湿式电除尘器提供良好的进气条件。

3.1.3 管网阻力计算结果分析

为了计算原始烟道和优化方案的管网阻力，本文通过提取计算域内相应截面的总压来获取管网的阻力，计算结果汇总如表1所示。

表1 原始烟道和优化方案总压损失计算结果Tab.1 The calculation results of total pressure loss for original flue duct and optimization scheme

由表可知，在320MW工况下，2号机组原始烟道进、出口截面的总压损失为152.5Pa，而优化方案进、出口截面的总压损失为95.3Pa。由此可以看出，2号机组优化方案较原始烟道内部的总压损失下降了37.5%，总压损失下降的效果显著。通过分析，优化方案较原始烟道内部总压损失下降的原因在于，优化方案改善了湿式电除尘器前烟道内部的流场结构，使得烟道内部气流的速度分布更加均匀，显著地降低了气流的分离损失，从而降低了烟道内部的总压损失。

4 结论

本文针对国内某320MW火电机组脱硫塔出口至湿式电除尘器段烟道进行优化设计，并用CFD数值方法对原始烟道和优化方案进行对比分析，得到结论如下：

1）原始烟道内部流场的速度均匀系数为1.095，而优化方案烟道内部流场的速度均匀系数为0.208，由此可见，优化方案使得湿式电除尘器进口截面速度均匀性得到了改善。

2）原始烟道进出口截面的总压损失为152.5Pa，而优化方案烟道进出口截面的总压损失为95.3Pa，原因在于优化方案使得烟道内部流场得到了改善，从而降低了气流的分离损失。

[1]张东辉，庄烨，朱润儒，等．燃煤烟气污染物超低排放技术及经济分析[J].电力建设，2015，36（5）：125-130．

[2]刘含笑，姚宇平，朱少平，等.超低排放工程中WESP进出口烟气PM2.5测试试验研究[C].第16届中国电除尘学术会议论文集，2015：678-683．

[3]刘明，孟桂祥，严俊杰，等.火电厂除尘器前烟道流场性能诊断与优化[J].中国电机工程学报，2013，33（11）：1-6．

[4]马修元，申智勇，李志强，等.湿式静电除尘系统流场数值模拟与优化[J].热力发电，2016，45（5）：94-99．

[5]陶克轩，常毅君，张波，等.电厂除尘器入口烟道数值模拟及改造[J].热力发电，2012，40（1）：52-54．

[6]张乐川，蒋莉，侯振，等.除尘器前烟道优化设计分析[J].电站系统工程，2010，26（4）：33-34．

[7]李庆，杨振亚，甘罕，等.静电除尘器烟道进口处流场的数值模拟[J].环境污染与防治，2012，34（1）：1-4．

[8]杨松，丁皓姝，黄越，等.SCR脱硝系统流场数值模拟及优化[J].热力发电，2014，43（9）：71-75．

[9]谢铮胜，党小庆，高朋，等.袋式除尘器入口烟道流场数值模拟与优化设计[J].环境工程学报，2017，11（3）：1761-1765．

Investigation of the Layout Scheme of Guide Vanes and Multi-orifice Plates in the Inlet Flue Duct of a Wet
Electrostatic Precipitator(WESP)

De-sheng Chen1Xu-dong Peng2Jin Zheng1Hu Zhang1Guo-fu Zhang1
（1.Xi’an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.；2.An Hui He fei Wenergy Co.,Ltd.）

The uniformity of the inlet flue gas flow for wet electrostatic precipitators has an important influence on the power consumption and dust removal efficiency of the dust collector.A layout scheme of the guide vanes and multi-orifice plates is introduced for the flue duct between desulfurization tower and wet electrostatic precipitator of a 320MW thermal power unit.For the original gas duct layout and the optimized layout scheme,numerical simulations are conducted.The results demonstrate that with the guide vanes and multi-orifice plates,the uniformity of flow field in the flue duct is strongly improved,and the total pressure loss between the inlet and outlet of the flue duct is remarkably reduced.

wet electrostatic precipitator,guide vane,multi-orifice plate,uniformity of the flow field,total pressure loss

中国华能集团总部科技项目（HNKJ12-H03）

2017-07-25 陕西 西安 710054

TK223.26

1006-8155-(2017)06-0037-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0006