电厂锅炉尾部烟道流场均匀性的数值模拟

鲁亚龙 耿毫伟 杨厚乐 付少闯 苏雪冰

摘 要：为了优化电厂锅炉烟道出口流场分布的均匀性，利用CFD（计算流体动力学）模拟对电厂锅炉烟道出口的速度场进行三维数值模拟，本文主要是对烟道出口加装均流板来改善烟道的流场，以及通过对烟道内折流板进行优化来改善流场的均匀性。研究结果表明，对烟道出口加装均流板及改变折流板个数和角度可以明显改善烟道出口处流场的均匀性。

关键词：烟道；数值模拟；导流板；均流板；流场均匀性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.147

0 引言

我国是一个以燃煤发电为主要发电形式的国家[1]，燃煤生成物中含有许多固体颗粒物会随着烟气排出[2]，颗粒物在流动的过程中会造成系统的磨损，严重时可能导致锅炉非计划停机维修[3]。本文研究对象是某电厂锅炉省煤器前烟道系统，由于原始烟道出口流场的不均匀性导致省煤器磨损较严重。为了避免由于磨损问题导致机组非计划停机带来的损失，需对省煤器前烟道系统进行优化。

本文利用CFD（计算流体动力学）对该部分烟道进行数值模拟分析，通过加装均流板和改善导流板角度等结构来优化省煤器前烟道出口流场的均匀性，进而达到降低省煤器磨损的问题。

1 数值模拟方法

本文利用计算流体动力学方法对各结构形式的烟道进行数值模拟，烟道模型为三维模型。对烟道内流动形式采用三维稳态的计算方法，湍流模型采用标准双方程模型。

1.1 烟道模型及网格划分

1.1.1 烟道模型

某台循环流化床锅炉尾部烟道的设计模型如下图1所示。其中，烟道入口尺寸为14985mm*6629mm，出口1和2的尺寸为4300mm*4300mm，出口3的尺寸为5200mm*4300mm。

本文通过改各结构参数对烟道出口流场的均匀性进行优化设计，其具体模拟的结构为：

（1）原始烟道：出口1左侧加有1500mm（遮住1/3出口）的挡板，出口2处三个折流板角度都为116.9o，出口3处折流板内外弧半径分别为R2533、R3900；

（2）优化方案一：把出口1左侧加装遮出口1/3挡板改为在上侧加装，其它结构保持（1）中所述；

（3）优化方案二：在烟道拐角处（如图1-（b）所示）加装6个折流板，并且在底部加装正三棱柱（三角形边长为400mm）撞击板，出口1处加装均流板，其它保持结构（2）中所示；

（4）优化方案三：删去出口1处上侧的折流板，底部撞击板截面三角形边长由400mm改变为300mm，其它保持结构（3）；

（5）优化方案四：改变出口2处折流板角度为120o，其它结构保持（4）中所述。

1.1.2 网格划分

网格采用MAP方案进行划分[4]，烟道流域网格最大单元数设置为0.5m，折流板采用内部面网格的划分方式，并进行局部加密处理，网格总数为972498。

1.2 控制方程[4，5]

连续性方程：

动量方程：

其中，P为静压

Fi包含了其它模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。

湍动能k方程：

1.3 边界条件

入口采用速度边界，其流速为v=5.8m/s，三个出口边界均采用压力边界，壁面边界条件为绝热。

2 模拟结果分析

2.1 原始烟道模拟结果

基于以上模型及边界条件，模拟计算了原始烟道三个出口流场速度分布云图如下图2所示。由图可知，三个出口的流动均匀性极差，出口一的最大最小速度相差有18m/s之多，会增大烟道后部省煤器的磨损，在实际运行中有安全隐患。

2.2 烟道优化模拟结果

为了改善烟道出口流速的均匀性，对烟道进行结构改造后的流动状况进行了数值模拟，五种优化方案均是为了改善烟道出口流场均匀性而进行的结构改善，其优化后的烟道结构出口速度分布比较均匀。

图3可以更加直观的看出烟道优化前后出口体积流量和出口流速的大小和三个出口的流量及速度偏差。从图3（a）中可以看出，原始烟道出口的流量分布极不均匀，最大达到350m3/s左右，最小只有100m3/s左右；四个优化方案中的流量出口分布相差很小，基本在210m3/s左右。从图3（b）中可以看出，原始烟道出口1和出口2、3

（下转第164页）

（上接第168页）

流速相差较大，相差有10m/s左右；四个优化方案中，优化二和优化四分布相对均匀。

3 结论

（1）原始烟道的结构形式存在很大的不合理性，三个出口的流量偏差和速度偏差都较大，可能会导致系统运行的不稳定性。

（2）本文优化的四种烟道结构可有效的改善出口流场的均匀性，流量和流速的均匀性都得到了有效的改进。其中，优化方案二相对其它三种优化方案能够有效提高烟道出口的流动均匀性。

参考文献：

[1]郑体宽，杨晨.热力发电厂[M].第二版.北京：中国电力出版社，2008：1-2.

[2]叶江明.电厂锅炉原理及设备[M].3版.北京：中国电力出版社，

2010：1-2.

[3]刘玉华.火力发电厂锅炉省煤器磨损失效分析[J].攀枝花学院学报，2010，27（06）：58-63.

[4]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大學出版社，1999.

作者简介：鲁亚龙（1994-），男，河南商丘人，研究生在读，主要从事传热传质的研究工作。