除尘器前烟道数值模拟和优化设计

于 洋，陈炼非，丛东升，孙 丰，胡 南，2，3，吴玉新

(1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021；2.长春工程学院能源与动力工程学院，长春 130012；3. 吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，长春 130012；4.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

0 引言

对于火力发电机组，烟气离开锅炉后，经过除尘器、引风机、脱硫装置以及烟囱等设备后排入大气，烟道是连接各个设备的烟气通道，除尘器前烟道是指锅炉出口与除尘器入口之间的烟道。大型火电机组的锅炉烟道出口有两个，除尘器入口通常有4个，少数除尘器有6个入口(本文暂不考虑6个入口的情况)。常规设计是一个锅炉出口连接两个除尘器入口。由于锅炉出口与除尘器入口标高、位置存在偏差，通常将烟道设计成y形，以减少流动阻力，但是y形烟道由于分流处结构并不对称，会造成流量分配不均匀的问题，因此，一些工程中除尘器厂家并不同意这一布置方案。

目前在工程上有烟风道相关设计规范和估算烟风道阻力的方法[1-2]。但是y形烟道由于结构的特殊性，没有通用的计算阻力和流量分配的经验公式和数据。因此，通过数值模拟的方法计算，能够获得更准确的计算结果。数值模拟方法也称计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)，是一种由计算机模拟流体流动、传热及相关传递现象的系统分析方法和工具，其基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量场用一系列离散点上变化值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起反映这些离散点上场变量值的集合及场变量之间关系的代数方程组，求解代数方程组获得场变量的近似解[3-5]。

本文通过数值模拟的方法，分析某600 MW机组y形烟道的流场特性、阻力以及流量分配情况，并提出优化改进措施，提高烟气进入除尘器分配的均匀性，并减少流动阻力。

1 设计方案与建模

本文以某600 MW机组除尘器前烟道为例进行分析。烟道设计参数见表1。烟道模型如图1所示。直管定义为支路1，相应出口为出口1，外申管定义为支路2，相应出口为出口2。

表1 y形烟道主要设计参数

计算采用不可压假定，求解计算域内的质量方程、动量方程和能量方程；湍流模型采用双方程k-ε模型，该模型具有收敛性好，计算量较小的优点，是该类工程流场计算中最常用的湍流模型，具有较高的准确度。入口采用恒定入口速度边界条件，出口1和出口2采用等压力边界条件，壁面采用无滑移模型及标准壁函数。为降低计算量及网格划分难度，计算域仅考虑烟道的主体结构，忽略内撑等烟道内部结构，因此该计算结果的阻力与实际阻力存在一定偏差，但该偏差较小，并不影响对烟道流场特性的预测以及烟道结构优化的结果。

图1 烟道模型示意图

2 结果及流场分析

针对常规烟道设计方案，计算入口烟气流速16 m/s、10 m/s、6 m/s 3个工况，如图2～3所示，计算结果发现3个工况下，两个出口流量偏差都很大，出口1的流量都是出口2的2倍左右。随流速增加，阻力成平方指数增加，如图4所示。在600 MW机组设计工况下，不考虑内撑等内部构件，烟道阻力约为300 Pa。

图2 出口流量分配

图5为烟道中心线位置的内部流场云图。一方面，在烟道分流处，烟气流速产生了严重不均，大部分烟气直接进入支路1，导致支路1流量较高，同时，由于折角的存在导致进入支路2的烟气产生了严重的流动偏差，在烟道一侧流量较高，而另一侧流量很低。另一方面，从锅炉出口至分流管路前，是典型的Z形组合弯头，其中第二个弯头处存在严重流动偏差。根据DL/T 5240—2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》，本算例Z形组合弯头的阻力要在单独弯头阻力系数C0′基础上额外考虑急转弯组合阻力系数，约为2.86。因此，对分流处及Z形组合弯头处流场进行优化，是解决流动均匀性、降低阻力的关键。

图3 出口流量分配比例

图4 不同烟气流速下烟道阻力

图5 烟道内部流速分布云图(入口流速10 m·s-1)

3 优化设计方案

针对上节所述，需要对烟道内部进行必要的结构改造，改变烟道内流场分布。主要考虑在烟气分流处增加导流板，使烟气均匀进入两支路；在支路2设置导流，提高烟气在其中分布的均匀性；在Z形组合弯头设置导流，降低阻力。对不同优化措施进行数值模拟分析，分为以下几个对比方案：

方案一，常规设计方案；方案二，在方案一基础上，分流处加导流板，导流挡板自由端位置处于烟道中心处；方案三，在方案二基础上，对支路2弯头处设置导流板；方案四，在方案三基础上，对Z形组合弯头设置导流板。

4 优化计算结果

图6为不同方案下分流和支路部分流场计算结果。在分流处增加导流挡板后，两支路出口流速明显相近，支路2内部流动均匀性大大改善，弯头产生的低速区减小。在支路2增加导流后，支路2内部低速区进一步减小，流动均匀性进一步改善。

方案一 方案二 方案三图6 不同方案支路流场对比(入口流速16 m·s-1)

从图7可以看出，方案二的两支路分配均匀性已经得到明显改善，方案三的流动均匀性得到进一步提高，能够达到除尘器制造商对流动均匀性的要求。而阻力方面，方案二和方案三均较方案一有明显下降，分别降低18%和22%。

图7 不同方案出口流量分配

图8为Z形组合弯头加导流前后流场对比计算结果。可以看出，在增加导流后，上部弯头的流动不均匀性得到明显改善，弯头后续流动均匀性也得到明显提高。如图9所示，方案四中，烟道阻力下降更加明显，仅为方案一阻力的47%。DL/T 5240—2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》，本算例Z形组合弯头的阻力要在单独弯头阻力系数基础上额外考虑急转弯组合阻力系数C0′=2.86，对于独立弯头，在增加两块导流片后，可在此基础上考虑附加阻力系数f1=0.165，说明本计算结果中阻力明显下降是符合工程设计经验数据的。

方案一 方案四图8 不同方案Z形组合弯头流场对比(入口流速16 m·s-1)

图9 不同方案出口压降

5 结语

本文通过数值模拟，分析了y形除尘器前烟道内烟气的流动特性，发现传统y形烟道结构存在明显的流量分配不均问题，两出口流量相差1倍以上。原因在于烟道分流处的结构产生了较大的流动偏差，且Z形组合弯头对流场均匀性造成了破坏。

本文提出3处优化改进措施，分别是分流处加导流板，导流挡板自由端位置处于烟道中心处；对支路2弯头处设置导流板；对Z形组合弯头设置导流板。模拟结果显示，增加导流措施后，可有效提高烟气进入除尘器分配的均匀性，消除流动偏差，同时使得流动阻力下降一半以上。