锅炉低温省煤器流场模拟与结构优化研究

肖记军 温小萍

摘  要：针对300MW电站锅炉低温省煤器烟气入口及本体进行三维流场数值模拟，获得了低温省煤器内部三维压力场和速度场分布，分析了烟道变径入口处分流挡板的分流效果，并对其烟气入口分流挡板进行结构优化，进而获得流量更加均匀的烟气入口流场。研究结果表明，经过结构优化后的低温省煤器烟道变径入口分流均布效果可以获得显著提升。

关键词：低温省煤器;流场;数值模拟

中图分类号：TM621         文獻标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0083-02

近年来，由于我国煤炭资源的逐渐枯竭，许多电厂为了合理利用锅炉的烟气余热，进而提高机组效率，降低发电煤耗率，陆续针对锅炉尾部受热面进行优化改造。实践结果表明[1-3]，对锅炉加装低温省煤器系统，可以有效降低发电煤耗率，提高火电厂锅炉热效率，从而实现节能减排，具有重要的社会效益和经济效益。然而，实际烟气进入低温省煤器时往往存在流场分布不均匀，容易造成低温省煤器换热效率降低或局部磨损等问题[4-5]，难以达到理想的应用效果。

本文针对某300MW电站锅炉低温省煤器进行三维流场数值模拟，以获得低温省煤器入口烟道、分流挡板及内部的三维压力场和速度场分布，通过改变低温省煤器变径入口处分流挡板的位置和结构，从而达到低温省煤器内部流场分布更加均匀的目的。

1 计算模型

本文模拟过程主要为：利用Pro/E软件构建300MW锅炉低温省煤器三维立体模型，导入Gambit前处理软件进行网格划分，再导入FLUENT软件，设置边界条件、基本参数及计算方法，并进行迭代数值计算，最后将计算获得的数据导入Tecplot软件进行后处理。

首先利用Pro/E-5.0软件构建低温省煤器1：1的三维立体模型，该模型包括变径入口、分流挡板、换热器外壳、防磨光管、换热管道及翅片。为了获得准确的烟道变径入口的实际流场分布，在变径入口前端加设10m长度的烟道，整体三维模型如图1所示。将三维模型转化成.stp格式，导入Gambit-2.4前处理软件并进行网格划分，网格采用四边形非结构网格。为了捕捉精细的湍流特征，在省煤器变径入口、换热管道及翅片附近进行网格加密处理，网格总数量约340万左右。

2 边界条件与求解方法

将三维模型导入FLUENT6.3软件，设置流动边界条件。根据300MW负荷工况条件下的烟气流量和烟道截面积，设置烟道进口流速为13.05m/s，低温省煤器出口的压力设置为-9000Pa，其余面均设为无滑移壁面。湍流模型采用k-ε双方程。

数值求解是利用FLUENT的CFD求解器实现的，整个计算区域采用有限容积法离散控制方程，空间离散采用一阶迎风格式，利用SIMPLE算法对速度和压力耦合方程组进行解耦。控制方程中的质量方程、动量方程、湍流k-ε双方程的残差均为1×10-3。

3 模拟结果与优化

图2表示低温省煤器烟道变径入口处的压力和速度分布。

由图2看出，在低温省煤器变径入口处的压力分布都不均匀，呈现如下特征：（1）压力高的区域速度低;（2）中间速度比两侧高，原因是管道中心流速更高;（3）下侧速度比上侧高，其原因一方面与烟气流动惯性有关，另一方面下侧烟气通道为直通道，其烟气流动阻力更小。

分析上述流场特征可知，低温省煤器烟气入口处的流场分布明显不均匀。为验证流场不均匀性，得到由分流挡板分割的6个进口的烟气流量，本文利用FLUENT的流量积分功能计算出各区的烟气质量流量。经过比较可以得出，6个进口烟气流量的均方差为3.333207，其中进口2区和5区的烟气流量高于平均流量，应减小通流面积;进口1区、3区、4区及6区的烟气流量低于平均流量，应增大通流面积。

为了优化流场均匀性，假设各区平均流速不变，烟气流量与流通面积成正比，因此可以根据模拟得到的6个进口区（进口1区～6区）烟气质量流量，调整6个进口区的面积，从而达到进口烟气流场均布的优化目的。原6个进口区是按照面积相等划分的，横向分流挡板位于中心，两块纵向分流挡板距离中心均为478mm。变径入口优化方案如图3所示，即在进口截面上，横向分流挡板向下移动90mm，两块纵向挡板向中心移动60mm（距离中心478mm变为418mm）。

在此基础上再进行流场数值模拟，得到结构优化后变径入口处的压力和速度分布如图4所示。可以看出，优化后的压力、速度分布规律基本不变，即压力高的区域速度低、中间速度比两侧高，下侧速度比上侧高，但最大速度16m/s升至17m/s，存在小幅度的上升。

结构优化后再计算各个进口区（进口1区～6区）烟气质量流量。可以得到，6个进口烟气流量的均方差由原来的3.333207降为0.578317，最大值与最小值之差由原来的8.001902降为1.432708。由此可见，经过结构优化后的变径入口分流均布效果获得显著提升。

4 结论

（1）建立了300MW电站锅炉低温省煤器烟气入口及本体三维立体模型，通过数值模拟获得了低温省煤器内部三维压力场和速度场分布，分析了烟道变径入口处分流挡板的分流效果。

（2）通过对低温省煤器烟气入口分流挡板进行结构优化，获得了流量更加均匀的烟气入口流场，该方法对解决低温省煤器换热效率较低和局部磨损等问题具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]梁鹏.低温省煤器的原理研究及设计[J].工业技术创新，2016，3（3）：406-408.

[2]张方炜.锅炉烟气余热利用研究[J].电力勘测设计，2010（8）：48-52.

[3]周武，向朝晟，李键.火力发电厂锅炉尾部烟气余热回收利用技术[J].东方电气评论，2012，26（101）：46-50.

[4]宁玉琴，孙少鹏，田鑫，等.燃煤机组烟气余热回收系统的影响因素分析与优化设计[J].热力发电，2015，44（9）：76-80.

[5]刘鹤忠，连正权.低温省煤器在火力发电厂中的运行探讨[J].电力勘测设计，2010（4）：32-38.