锅炉低温省煤器流场模拟及结构优化研究

曾国兵， 刘 聪， 黄志明

(1.安徽电气工程职业技术学院， 安徽 合肥 230051； 2.江西电力职业技术学院， 江西 南昌 330032)

随着国家对生态环境的重视，火力发电机组都增设脱硝装置，降低NOx排放以满足烟气污染物排放要求。由于增加了SCR脱硝设备，导致尾部烟道流场的改变，流速过低容易发生积灰，流速过高或流速偏角过大会加剧设备的磨损。本文以某厂锅炉进行脱硝改造后(SCR装置布置在高温空预器出口至低温省煤器入口之间)，机组存在低温省煤器磨损严重，导致经常出现省煤器管道泄漏的问题为出发点，采用数值模拟计算方法，研究了烟道内部流场及灰场的分布，找出导致流场与灰场分布不均的主要原因是SCR出口至低温省煤器入口段烟道导流板设计不够合理；并进行了烟道内导流板优化布置。通过数值模拟，优化后低温省煤器入口截面烟气流场分布较为理想，灰场亦有较为明显的改善，能明显缓解低温省煤器的磨损。

1 原结构数值模拟及分析

1.1 原结构几何模型

为了掌握锅炉原结构内部的流场及灰场分布情况，寻找导致低温省煤器严重磨损的原因，首先根据高温空预器出口至低温省煤器入口的施工图纸进行1:1三维建模，考虑到模型内部的支撑结构等对流场及灰场的影响较小，因此在不影响模型内部流场及灰场分布准确性的情况下，对模型进行了相应的简化，最终建立的物理模型如图1所示。

图1 原结构物理模型图

图2 原结构模型整体网格划分结果

1.2 网格划分与边界设置

在进行模型的网格划分时，优先使用结构化网格，并对壁面处、导流板附近及速度梯度大的地方进行加密处理，边界层处第一层网格取10mm，垂直增长速率为1.2，网格最大节点距离为200mm，最终网格数量约为244万，网格划分结果如图2所示。

模型入口设置为均匀速度入口，速度值按实际运行工况下的烟气量进行计算设置；出口设置为压力出口，压力值按实际运行工况下的压力值进行设置；催化剂层作多孔介质处理，阻力系数按照每层阻力为100Pa进行计算[1]。计算使用的湍流模型选用Realizable k-e湍流模型，壁面处理选取为Enhanced Wall Treatment[2]，具体的参数设置如表1所示。

表1 数值模拟主要参数

1.3 数值计算结果分析

输入模型以及边界条件之后，使用Fluent进行模拟计算的工作，模拟结果如以下各云图所示。

首先对原结构模型内部的纵剖截面流场及灰场云图进行分析，该截面位于SCR宽度方向中心位置，数值模拟得出的速度分布云图如图3所示、灰质量浓度分布云图如图4所示。

图3 原结构纵剖截面烟气速度分布云图

图4 原结构纵剖截面灰质量浓度分布云图

由图3可以看出，原结构模型低温省煤器入口处深度方向的烟气流场分布明显不均，主要表现为：第一块导流板(从后墙至前墙，下同)和第三块导流板出口处烟气流速较高，且在第一块导流板和第四块导流板背弧处有较大的低速区。

由图4可以看出，原结构内部灰场在深度方向上分布明显不均匀，主要表现为：灰在SCR反应器部分主要集中于后墙侧；在SCR出口水平烟道，大量的灰沉积于底部；在低温省煤器入口处，灰基本集中于烟道后墙侧。

为了进一步掌握原结构低温省煤器入口处的流场及灰场分布情况，对低温省煤器入口横截面的烟气流场及灰场进行了分析，该截面位于低温省煤器入口上游约10cm处，其速度、灰质量浓度分布云图分别如图5、图6所示。

图5 原结构低温省煤器入口截面烟气速度分布

图6 原结构低温省煤器入口截面灰质量浓度分布

由图5可以看出，原结构模型低温省煤器入口截面烟气流场均匀性差，在深度方向上呈带状分布，存在较大的高速区和明显的低速区。

由图6可以看出，原结构模型低温省煤器入口截面的灰质量浓度分布呈现为：在深度方向，靠近后墙侧存在高浓度区；在宽度方向，靠近壁面处浓度高，中间浓度低。

根据原结构模型内部的上述流场和灰场的分布云图，分析可知，导致低温省煤器磨损严重的主要原因为：(1)低温省煤器与烟道顶棚距离较近；(2)在SCR出口水平烟道，大量的灰沉积于底部，在拐至竖井烟道时，烟气只能携带少量的细灰冲向前墙，而大量、大粒径的灰受重力作用，无法扬向前墙；(3)低温省煤器入口导流板的设计不合理，导致低温省煤器入口截面高速区与高浓度区重合，造成低温省煤器靠后墙侧磨损严重。

2 优化设计模拟与分析

2.1 优化方案

根据原结构的分析结果，经过大量的优化方案模拟后，最终确定的优化方案为：(1)将原结构SCR出口拐角处导流板割除一半后接倾斜直板；(2)拆除原结构SCR出口水平烟道处两块导流板，改成一块上扬的导流板；(3)拆除原结构低温省煤器入口处四块弧形导流板，改成一排竖直导流板，并通过数值模拟寻找最佳的高度和间距，上述优化方案的物理模型如图7所示。

2.2 优化后模拟结果分析

优化后流场与灰场分布云图的截面位置与原结构相同。优化后相关云图如下所示。

图8 优化后纵剖截面流场分布云图

图9 优化后纵剖截面灰质量浓度场分布云图

图10 优化后低温省煤器入口截面流场分布云图

图11 优化后低温省煤器入口截面灰质量浓度场分布云图

对比优化前后的纵剖截面与低温省煤器入口截面的速度和灰浓度分布云图，可以看出：低温省煤器入口横截面的流场在深度方向上有明显的改善，原结构明显的高速区与低速区已经消失，低温省煤器入口截面的流场已非常均匀，且均在5m/s以下，低于省煤器的常规设计流速；沉积在SCR出口水平烟道的灰明显向上、向前墙扬，原结构的高浓度区已明显改善。

3 结论

根据原结构数值模拟分析，得出低温省煤器磨损严重的主要原因，通过改造优化并进行了数值模拟。优化后绝大部分区域灰质量浓度小于30g/m3，高灰浓度区域更小、更分散，尤其是避免了原结构中该截面高流速、高灰质量浓度区的重合，优化方案能明显缓解低温省煤器的磨损。优化方案在模拟区段的流动阻力较原结构增大仅10Pa左右，对引风机电耗影响很小。