300 MW机组锅炉低省改造后烟道流场特性数值模拟

陈　凯，陈　刚

(1. 上海电力建设启动调整试验所，上海　200031；2.山东蓝想环境科技股份有限公司，山东 安丘　262100)

火电机组发电量目前占我国总发电量的70%以上，燃煤电站锅炉设计排烟温度在120～140℃，其热量损失达到电站输入热量的3%～8%，锅炉烟气余热回收和利用可以显著提升锅炉效率，提高经济效益[1]。特别是投产年限较长的300 MW机组，在除尘器前加装低温省煤器可以有效降低锅炉排烟温度，达到节能减排的目的[2]。

除尘器前烟道内气流分布条件对低温省煤器效率有较大影响，同时会影响到除尘器效率[3]。文献[4]通过模化试验研究了加装不同导流装置方案的前烟道均流效果。文献[5]等基于Fluent软件，诊断其存在的问题并提出不同的改造方案降低烟道内阻力。文献[6]针对除尘器区低温省煤器进行数值研究，分析了加装低温省煤器后烟道内流场分布，但并没有提出对烟道内流场改造的方案。文献[7，8]采用了数值模拟的方法对除尘器前烟道流场进行三维数值研究，并根据分析结果进行烟道优化设计。

本文针对300 MW电站锅炉除尘器烟道，采用CFD方法对烟道内流动特性进行数值模拟研究。针对原方案流速不均、磨损严重等问题提出优化方案，为电站工程改造提供参考。

1　物理模型及数值方法

1.1　物理模型

本文研究对象为某300 MW电站锅炉，其烟道三维模型如图1所示，包括入口烟道、1-4弯头、低温省煤器、除尘器。针对改造前后烟道气流特性和优化效果开展数值模拟研究。计算网格采用ICEM 14.0软件划分，网格采用结构化网格。

图1　物理模型

1.2　数值计算方法

采用Fluent14.0软件对电除尘前烟道内流场进行数值研究，本文采用RNG k-e湍流模型。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

湍动能方程：

(3)

湍动能耗散方程：

(4)

式中ui——流体平均速度；p——流体压力；fi——沿i方向的质量力；ρ——水的密度；υ——水的运动粘性系数；υi——涡粘性系数；Cμ取0.084 5；C1ε、C2ε——模型常数，分别取1.42、1.68；σk、σε——方程的Prandtl数，同时取1.39。

连续方程、动量方程采用二阶迎风格式；采用SIMPLE算法对控制方程进行离散求解。近壁面采用标准壁面函数处理。边界条件设置：入口设置烟气平均速度；出口为自由出流；壁面粗糙度厚度取为0.5 mm。

1.3　导流板设计

首先对烟道内未加低温省煤及导流板的流场进行数值模拟。然后根据烟道内气流均匀情况，在不同的位置设置导流板，使得烟道内气流分布均匀。同时在布置低温省煤器后，根据模拟的结果对烟道内的导流方案进行优化设计，最终采用导流板的安装位置、数量以及形状如图2所示。

图2　导流板设计方案

1.4　网格独立性验证

采用ICEM 14.0软件对烟道进行网格划分，应用结构化/非结构化混合网格技术，对除尘器区、烟道壁面及导流板壁面进行局部加密。在计算过程中通过逐步细化网格，划分了5种不同的网格体系。在无导流板时，对于不同的网格数量，计算烟道1中的压降，计算结果如图3所示。由图3中能够看出，随着网格数量的增加，烟道1内压降已基本不再变化，因此最终网格数量为300万左右。

图3　网格独立性验证

2　计算结果分析

2.1　无导流板时流场特性

烟道整体速度矢量图如图4所示。由图4能够看出，在整个通道中存在速度不均匀现象。在第1弯头的拐角处，速度最高，局部达到30 m/s左右，烟气高速冲刷墙壁，不仅造成通道内流场强烈的不均匀，同时对壁面的磨损严重。在除尘器前同样存在着流场不均匀现象，烟道中存在较多的低速区域，对除尘器性能造成严重的影响。

图4　烟道速度矢量图

图5给出了烟道纵截面速度分布。由图5能够看出，在第1弯头和第2弯头的内拐角处速度较高，烟气由竖直烟道经过第2弯头后流场分布不均，第2弯头出口上部速度最高位14 m/s，在下部存在一片低速区域，速度仅为4 m/s，烟气流场的紊乱，将会增加除尘器电耗，同时影响除尘器安全运行。

图5　烟道纵截面速度分布

烟道横截面速度分布如图6所示。由图6能够看出，烟气在进入除尘器时存在一定的气流偏转，烟气的斜向冲刷容易造成冷灰斗中的二次扬程，影响除尘器的正常运行。在烟道1中，由于烟道的特殊结构，造成了进入除尘器前有大片的低速区域，速度为2 m/s，烟道内气流分布极不均匀。

除尘器入口速度分布如图7所示。由图7能够看出，两个除尘器入口截面都存在速度偏差，在烟道1除尘器入口，最大速度出现在上壁面，最高速度达到16 m/s，烟道2除尘器入口截面速度最大处在烟道下部，最高为17 m/s。除尘器入口流场不均匀，将会影响到电除尘器对粉尘的捕获，降低除尘效率。

图7　除尘器进口速度分布

2.2　加装导流板时流场特性

图8给出了加装导流板后烟道整体速度矢量图。由图中能够看出，安装导流板后，整个烟道内的最高速度由30.00 m/s降低为最高27.1 m/s。烟道经第1弯头后进入竖直烟道，烟道内流场分布趋于均匀。在烟道内不存在低速区域和高速区域，安装导流板后能够有效均化烟道内流场，降低烟气流速，从而降低对烟道内部低温省煤器及除尘器内装置的磨损，提高除尘效率。

烟道横截面速度分布如图9所示。原方案未加装低温省煤器及导流板，在烟道1和烟道2弯头之后均出现气流分布不均现象，在低温省煤器区域出现严重的流速偏差现象，可能导致部分区域的严重磨损。由图9可以看出，在加装低温省煤器及导流板后，除尘器前烟道气流特性得到明显改善，尤其是低温省煤器区域，烟气流速比较均匀，流量均匀分配有助于提高低温省煤器换热效率。

图9　烟道横截面速度分布

图10给出了加装导流板后烟道1、2除尘器进口截面速度分布图。由图10可知，与原方案相比，截面内烟气流速分布均匀，速度偏差小。烟道1最大速度由16 m/s降低到14 m/s，同时截面大部分区域速度在12～14 m/s。烟道2截面速度整体分布均匀，流速在13 m/s左右。

由分析可知，加装低温省煤器和导流板之后，除尘器烟道内整体气流分布特性得到有效改善，尤其是除尘器前烟道，流速分布均匀，整体运行条件良好。

图10　除尘器进口速度分布

3　结语

(1)随着网格数量的增加，烟道1中的压降不再变化，数值计算采用的网格为300万左右。

(2)除尘器前烟道中存在着强烈的速度不均匀现象，烟道中局部速度偏高，易造成烟道磨损。

(3)加装导流板后整个系统流场均匀性得到提高，尤其是低温省煤器区域，烟气流速分布均匀。

参考文献：

进入现代以来，作为知识分子的鲁迅形象一直是众多艺术家热衷的创作对象，形成了特定的雕塑题材类型，由此涌现了大量的鲁迅雕塑作品。诸如王朝闻、刘开渠、萧传玖、张松鹤、潘锡柔、仲兆鼎、沈文强、潘鹤、熊秉明、吴为山等雕塑家均有此类作品问世。鲁迅主题雕塑的创作已成为除了毛泽东雕塑以外唯一能贯穿中国近现代雕塑史的美术现象。那么，鲁迅主题雕塑的创作传统从何而起呢？

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