流线型技术降低脱硫塔烟道阻力的研究

陈晓雷

（福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000）

1 引言

随着经济的发展，国家对环保要求越趋严苛，电厂原有的环保设备已无法满足排放要求，需要实施新一轮的超低排放改造，内容包括低氮燃烧改造、脱硫提效、烟气脱硝改造、低低温改造、新增GGH 设备等。一系列设备改造过程中，最直接的影响是烟道系统阻力剧增，原有风机无法带动机组烟风系统工况下满负荷运行［1-4］。电厂为保证燃煤系统稳定运行，只能进行引增合一或风机扩容改造。虽然风机改造后克服了系统阻力，但是风机电耗随之增加，厂耗电量明显增加，电厂用电率无法得到有效控制［5］。

某燃煤热电厂1，2 号机组依次进行了脱硫提效、石膏雨治理以及新增GGH 改造。各项改造完成后，污染物排放已达标，但各次改造之间缺乏协调统一，烟道连接布置未考虑整体气流阻力影响。第三方测试单位对1 号炉烟气系统阻力进行测试，结果表明，烟道阻力过高，机组无法满负荷运行。同时，改造后2台机组的平均供电煤耗为322.63 g/kW·h，与国家标准要求有较大差距。基于现场测试和CFD 数值模拟分析后，决定采用流线型低阻烟道技术对1，2 号炉脱硫塔出口至烟囱烟道段进行改造以降低烟道阻力。

2 项目概况

2.1 机组概况

本项目热电厂2×300 MW 机组配套锅炉采用东方锅炉制造的DG1025/17.4－II6 型锅炉。锅炉为亚临界参数、四角切圆燃烧方式、自然循环汽包炉，单炉膛п 型布置，燃用烟煤，一次再热，平衡通风，固态排渣，全钢架、全悬吊结构，炉顶带金属防雨罩。机组年运行7 000 h。

2012 年该热电厂进行了增压风机旁路烟道改造，2014 年1，2 号机组进行脱硫提效及石膏雨治理，2015 年后进行增引合一和超低排放改造。锅炉至烟囱系统工艺布置见图1。

图1 锅炉尾部系统烟气流程

2.2 存在问题

电厂通过以上改造后，烟囱排放满足了国家环保要求，但系统阻力急剧增加，同时烟道壁板出现异常振动。特别是超低排放改造中，由于脱硫吸收塔抬高，新增GGH 后，因烟囱入口位置无法变动，造成GGH 烟道出口从50 m 左右降至20 m 进入烟囱，中间烟道的连接布置极不合理。该段烟道长度约55 m，设置了5 个90 °弯头，增引合一风机至最大负荷时，该段烟道阻力达到1 376 Pa，同时GGH 本体及连接烟道出现较大幅度振动问题。

2.3 原因分析

1，2 号炉脱硫塔GGH 出口至烟囱入口之间的连接烟道存在以下布置问题。

2.3.1 脱硫塔后端烟道弯头设置不合理

脱硫塔GGH 净烟气出口烟道至烟囱入口中心长度仅55 m 的烟道共有A，B，C，D，E（见图2）5 个连续急转弯头，并且弯头内部未设置导流板。通过CFD 数值模拟分析，弯头处及附近烟气涡流严重，并在弯头根部形成气流死区，实际断面流速极大增加，造成局部弯头实际阻力远大于理论计算值。

图2 改造前脱硫塔后端净烟道示意

2.3.2 烟道内撑杆结构密集

脱硫塔后端净烟道长度约55 m，烟道内密集布置2 种共计33 列不同类型的内撑杆。

该热电厂内撑杆采用圆钢焊管，焊管两端与壁板之间通过连接板焊接相连，由于结构强度上的要求，连接板尺寸较大，其中支点相同的支撑必须通过一块完整的连接板做连接，同时布置方向与烟气流向垂直。这样虽然满足了烟道支撑受力要求，但是烟气在经过内撑杆和连接板时，与其发生大面积碰撞，产生扰流和二次流，增大了烟道阻力。

3 解决方案

3.1 技术措施及原理

针对以上问题，研究采用流线型低阻烟道方案对脱硫塔GGH 出口端至烟囱入口端进行改造。流线型烟道技术是利用空气动力学原理，采用CFD 数值模拟方法，尽量将与气体接触的表面曲线设计得更光滑、圆润及流畅，以改变或引导气流，使气流更容易地通过道体，从而达到减少沿程阻力、降低道体振动、增强气流稳定性的目的［6-8］。

3.2 改造前烟道分析

该热电厂锅炉GGH 出口烟气量为1 472 428 m3/h、烟温80 ℃，按照1∶1 的比例建立三维实体模型，模拟范围从脱硫塔至烟囱入口，见图3。

脱硫塔净烟道系统的流动为三维湍流，需建立适当的湍流模型，本项目采用在工程上广泛应用的标准k－ε 模型，SIMPLE 算法。基本方程为连续性方程、动量方程和能量方程。首先，对GGH 单元内各个模块的流场进行模拟分析，并确定阻力系数；其次，再对整个GGH 流场进行模拟分析，确定其流动特性及参数；最后，对整个系统流场（脱硫塔后烟气系统）进行模拟分析。

对改造前GGH 出口后净烟道段采用1∶1 三维实体建模并进行了数值模拟分析，经过CFD 数值模拟计算出整段烟道改造前阻力为1 298 Pa，与实际测试值1 376 Pa 相近。CFD 模拟压力场图见图4。

图4 压力场云图

3.3 改造方案

工程2 台机组脱硫净烟道段的流线型烟道改造，主要针对脱硫塔出口GGH 后端至烟囱入口间的55 m 烟道，主要改造内容包括2 个方面。

（1）烟道改弯取直，减少弯头，增加弯道转弯半径。优化后的烟道布置见图5。首先，延长弯头E 至弯头A 连接段长度，缓和变径段对流场的影响；其次，改变向下变向弯头A 方向至向左，同时优化其转弯外径；最后，删除弯头B，C，D，采用钝角弯头B’和钝角弯头C’连接整段烟道，保留烟囱入口段膨胀节。最终优化后烟道长度42 m，比原始烟道缩短13 m。

图5 优化后脱硫净烟道示意

（2）采用流线型导流板，减少内撑杆数量。弯头E 和弯头A 均为90 °急转变截面弯头，设计不合理，涡流效应明显，在采用流线型烟道对整个弯头整改的同时，在烟道内部增加流线型导流板。同时，优化弯头A 转弯外径。因流线型导流板结构具有较好的稳定性与一定的强度，经结构力学计算，可以代替该部分弯头部分内撑杆。烟道内部优化方案详见图6。

图6 烟道内部优化方案示意

通过流线型烟道优化可消除烟气涡流及烟气死区，降低阻力，减少风机电耗，达到电厂整体节能减排的目的。

3.4 CFD 数值模拟

流线型烟道优化后，再次对该段烟道模型进行了CFD 数值模拟计算，模拟计算的阻力场云图见图7。从CFD 模拟计算分析中，可确定采用流线型烟道方案，阻力大幅降低。整段GGH 出口烟道至烟囱间阻力值由原实测值1 376 Pa 降低至182 Pa，阻力降低86.8%。原因是流线型烟道设计将烟道内涡流、回流以及烟气死区消除，同时对烟道内撑进行优化，使流场分布更加均匀，因此可以预期改造后增压风机至脱硫入口段烟道阻力将大幅下降。

图7 烟道优化后阻力场云图

4 工程改造效果

4.1 性能测试

按如上方案对该电厂脱硫塔GGH 后端至烟囱段烟道进行流线型改造，重新投运后，从电厂DCS系统监测的运行阻力数据来看，优化效果明显，机组得以满负荷稳定运行。第三方测试单位在机组运行负荷为285 MW 时对2 号炉GGH 出口烟道进行了阻力测试，测试结果见表1。从表1 数据可看出，采用流线型低阻烟道技术对脱硫塔出口GGH 至烟囱间烟道改造后，阻力值从原来的1 376 Pa 下降至190.2 Pa，下降了86.2%。

表1 烟气阻力检测结果

4.2 经济性分析

脱硫塔GGH 出口至烟囱间的烟道进行流线型优化改造后，当机组运行负荷为285 MW 时，烟气系统阻力实际降低1 186 Pa，根据电厂风机的性能曲线计算，单台风机电耗降低值为402 kW。

按照电厂锅炉年运行7 000 h，电价0.4 元/kW·h计算，则单台风机每年节约电耗费用约112.6 万元，相当于每年为电厂节约1 776.9 t 煤耗（按标煤单价633.46 元/t 计算）。

5 结论

各燃煤电厂都在为系统设备升级与节能减排而努力，而降低烟道阻力是切实可行的方式之一。本文采用流线型低阻烟道技术，结合CFD 数值模拟计算结果进行结构分析，开展了流线型烟道的工程改造。通过该方法成功消除原烟道内存在的烟气涡流和流场死区，改善了烟道断面的流场分布均匀性，极大地降低了烟道阻力，提升了机组运行稳定性，同时解决了GGH 本体及连接烟道的振动问题。其中，第三方测试单位测试结果与CFD 模拟结果对比，运行工况及测试条件与CFD 模拟工况基本相符，采用流线型低阻烟道技术对原烟道优化后，通过CFD 数值模拟计算出整段烟道阻力为182 Pa，与实测值190.2 Pa非常接近，说明CFD 模拟结果具有可信的参考价值。

从本文数值模拟结果及工程应用检测报告的结果对比来看，无论是流场分布，还是烟风道阻力，流线型烟风道更优于常规烟风道，且结构设计与布置并不复杂，有利于降低电厂耗电率，符合国家节能减排的要求。