除尘器前烟道平式分配母管优化设计分析

程 鹏，侯庆伟，曹洪振

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

火力发电机组除尘器入口的烟道用于连接空气预热器与除尘器，并将烟气分配到除尘器各室，除尘器各室烟气分配的均匀程度对除尘器电耗和除尘效率影响明显［1］。

除尘器前烟道流场分析，一直是国内流体力学研究热点，国内对此进行了很多理论研究。如周凯等对1 000 MW机组6种不同烟道布置进行烟气均匀性对比分析［2］，张乐川等对600 MW机组两种不同烟道布置进行了流场分析［3］，高荣伟等除尘器入口烟道阻力特性进行数值模拟［4］。然而这些学者只是对常规烟道布置进行理论研究，某工程采用新型平式分配母管，为保证烟气分配均匀，有必要深入研究。

对除尘器前烟道进行三维建模，运用Fluent进行数值模拟，比较分析分配装置不同结构参数对除尘器入口气流均匀性的影响，为分配装置的设计提供必要的理论指导。

1 平式分配母管设计参数

某工程2×1 000 MW 机组除尘器前烟道设计过程中，由于空预器出口与除尘器入口高差过少，无法采用常规两个弯头连接提升高度的形式；而是采用新设计的分配母管为平式的烟气分配装置加一个弯头提升高度的形式。3个圆形分配支管一端分别与分配母管连接，另一端分别与除尘器连接，具体布置方式如图1所示，图2为平式分配母管示意图。

气流分布均匀性是保证电除尘效率的先决条件，根据JB/T 7671—2007《电除尘器气流分布模拟试验》标准“各封头（室）的流量和理想分配流量之相对误差不超过±5%”。为满足上述规程，平式分配母管设计参数见表1。

图1 除尘器前烟道布置方式

图2 平式分配母管示意

表1 平式分配母管设计参数 mm

2 流动模型的建立

根据流体理论，烟道内的流动是三维湍流问题，由于湍流的复杂性，通常需要借助合适的湍流模型。由于烟道内存在回流，且计算区域较多，采用应用比较多的 k-ε 两方程模型［5］。

连续性方程

运动方程

湍流动能方程k和扩散方程ε

式中：ρ为流体密度；t为时间；xi为i方向的位移；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；ui，uj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

上序各个方程的系数值如下：Cε1=1.44，Cε2=1.92，δ=1.0，δi=1.3。

3 边界条件

数值分析选择连续相模型及显式差分格式，采用SIMPLE算法求解k-ε两方程模型，模拟分析烟道内的速度分布情况。入口边界条件认为来流速度充分发展且分布均匀，入口k值取为来流速度平均动能的0.5%，入口k-ε值按相关公式求得；将压力出口定为出口边界条件；烟道壁视为绝热壁面；对于壁面附近的区域，采用壁面函数法修正［6］。

4 结果与分析

根据表1设计参数对上述工程除尘器前烟道流场进行了计算机模拟计算，3种方案除尘器入口烟气质量流量（左、中和右）结果如表2所示

表2 3种方案除尘器入口烟气质量流量

由表1和表2可以看出，方案2相比方案1，仅L值减少，3个除尘器入口流量偏差明显减少。这是因为L处相当于一个挡板，烟气从入口经过L处回流后进入左侧除尘器入口支管，当L值越大进入左侧除尘器入口位置的烟气流量会越大，另两侧的流量相应减少。所以随着方案2中L值减少为3 820 mm，流量偏差明显减少。方案3和方案2相比L值不变，增加R值倒角，3个除尘器入口流量偏差均未超过±5%，满足规程要求。增加倒角，一方面是相当于减少了L值，另一方面是优化了倒角处局部流场，减少阻力，可以降低引风机电耗。方案3数值模拟速度云图见图3。

图3 方案3除尘器烟道速度云图

5 结语

采用标准k-ε湍流模型，利用Fluent求解器对空预器出口至电除尘器入口段烟道平式分配母管进行优化仿真。通过调整分配母管设计参数L和R，可以保证除尘器入口气流的均匀性，满足规程要求。

此外除尘器厂家对除尘器入口速度相对标注偏差有要求，流场偏差较大，二次流较严重。下一步的工作将是利用数值模拟技术研究不同导流板的设置对除尘器入口速度相对标准偏差的影响。