基于CFD流场分析的直角烟道优化研究

裴东旭

摘要：本文针对某火电厂燃煤锅炉机组的脱硫、超低排改造后，出现的烟道内部流动阻力过大，直角弯道导流板破损的情况，对空预器入口的烟道的导流板阻力特性进行研究。首先，通过理论分析烟道流动阻力的规律及烟道流动阻力的计算方法。针对目标烟道段进行优化设计，通过对比不同设计方案的导流板应力用变情况，得出一种较优的直角烟道优化方案，对同类型烟道系统的优化改造提供了一定的指导和借鉴。

关键词：CFD  流场分析 直角烟道 导流板

Research on Optimization of Right-Angle Flue Based on CFD Flow Field Analysis

PEI  Dongxu

（Inner Mongolia Datang International Tuoketuo Power Generation Co. Ltd.， Hohhot， Inner Mongolia， 010206 China）

Abstract： In view of the excessive flow resistance in the flue and the damage of the deflector in the right angle bend after the desulfurization and ultra-low emission transformation of a coal-fired boiler unit in a thermal power plant， the resistance characteristics of the deflector in the flue at the inlet of the air preheater are studied in this paper. First， analyze the law of flue flow resistance and the calculation method of flue flow resistance through theory. According to the optimized design of the target flue section， by comparing the resistance reduction effects of different design schemes， a better right-angle flue optimization scheme is obtained， which provides certain guidance and reference for the optimization and transformation of the same type of flue system.

Key Words： CFD; Flow field analysis; Right-angle flue;Deflector

我国前期投产的火力发电厂燃煤发电机组在初期设计的时候，未考虑锅炉烟道系统的结构降阻和导流板优化设计，在整个烟道系统中，存在很多直角弯头管段和T型管道管段，而且其内部的导流板布置较为简单，导致系统运行过程中烟道气流动阻力较大，对直角弯头和T形管道内部的导流板造成较大的扰动，长期运行容易导致导流板局部磨损过大，出现掉落失效，严重时可造成停炉风险[1] [2]。而近些年进行的燃煤锅炉机组超低排放改造，导致原有的管道系统变得更加复杂，虽然在直角弯头和异型管件中进行了一定的结构优化，但烟道系统的阻力仍然较大，存在很大的优化空间。

针对目前国内燃煤机组烟道系统局部阻力较大的现状，进行局部烟道内部导流板结构优化的需求是十分迫切的，这不仅可以提高电厂燃煤机组烟道系统的局部管件阻力状态，降低大修和停炉风险，也对国内同类型局部管件的优化提供了一个研究方向。

1烟道流动阻力的计算方法

燃煤电厂烟道中的烟气流动通常被认为是定常的、不可压的、湍流气固两相流。其流动过程要遵循相应的物理守恒定律，基本的守恒定律主要有：质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律[3] [4]。但对于烟道中的不可压流动情况，假设流动过程中交换的热量微乎其微乃至可以忽略不计时，可以忽略能量守恒方程[5][6]。

1.1连续性方程

连续性方程也称质量守恒方程，烟道内烟气的流动过程必须满足质量守恒定律，即：单位时间内烟气流体微元中增加的质量与同一个时间间隔内流入该烟气流体微元体中的净质量相同。

1.2 N-S方程

动量守恒定律可表述为：微元体中烟气流体的动量相对于时间的变化率等于外界作用在该烟气流体微元上的诸力之和。

2基于CFD流场分析的直角烟道的优化

通过对某电厂空预器入口直角烟道管段进行数值模拟分析，根据现场实际情况进行建模及数值模拟分析，设置烟气温度、烟气流速、弹性模量、泊松比、密度等相关参数。原始直角烟道内部导流板应变状态如下图1所示。

由应变结果可以看出，风管的直角弯道处，中间导流板的受力最大，其中以导流板入口和出口处的中间位置产生的变形最大，最大变形达到5.24mm，查看最大应力达到17.738MPa。

根据现有直角弯道处导流板结构的数值模拟仿真结果以及国内外相关的论文研究成果，选取两个优化方向进行研究，一是取消现有圆管焊接导流板结构，因初期分析现有导流板结构是，发现导流板前端圆管处会形成大量涡流，而涡流会对导流板造成较大的扰动，造成局部磨损和冲击，导致局部导流板脱落，同时调整导流板出口板倾斜与外壁一致以及在导流板入口方向增加直线段，优化流体运行状态;二是同样取消现有的圆管焊接导流板结构，同时依据现有的仿真模拟结果可以看出，直角弯道处的导流板其中间位置受力情况最差，考虑进行结构加强措施，增加一个中间加强板提升局部强度。通过对上述两种优化思路进行仿真模拟分析，得出相应的直角烟道内部导流板应力和应变状态如下图3所示。其中图片上部两个为优化方案一的导流板应力和应变分布图，图片下部两个为优化方案的导流板应力和应变分布图。

从数值模拟仿真结果可以看出，对于优化方案一，由于直角弯道处导流板前端增加直线段，导流板受烟道气流动扰动更为剧烈，导流板中间位置受力情况更差，导流板的中间结构部分最大应力由17.728MPa提高至26.388MPa，應变由5.24mm提高至10.398mm，结构状态下降严重，优化方向不理想。对于优化方案二，增加中间加强板厚，直角弯道处导流板中间部分最大应变相比现有结构由5.24mm降低为0.55mm，最大应力由17.728MPa降低为7.91MPa，导流板的力学状态得到大幅提升，优化结果达到预期。

4结语

本文首先通过理论分析烟道流动阻力的规律及烟道流动阻力的计算方法。其次针对某电厂目标烟道段进行数值模拟分析，通过对比不同设计方案的内部导流板应力及应变状态，得出一种较优的直角烟道优化方案，对国内火电机组同类型烟道系统的优化改造及节能减排工作具有重要的指导与借鉴意义。

参考文献

[1] 刘荣堂，王宇，刘明，等.燃煤电站除尘器前烟道磨损特性与优化研究[J].工程热物理学报，2019，40（4）：808-812.

[2] 邓晓川，胡龙彬，李斌，等.1000 MW机组低温省煤器及烟道流场模拟优化研究[J].洁净煤技术，2019，25（6）：158-164.

[3]李婉婉，刘丽萍，贾燕，等 .某1000MW机组电除尘器前后烟道流场特性数值模拟及结构优化[J].热力发电，2016，45（9）：15-22+43.

[4]于伟静，汪永威，吕小林，等.燃煤电厂白色烟羽的潜值和控制策略评价[J].化工进展，2019，38（3）：1579-1586.

[5]崔晓光.1000 MW机组低温省煤器应用浅析[J].能源与节能，2019（8）：59-61.

[6]莫逊，朱冬生，叶周，等.电厂燃煤锅炉局部烟道导流装置的设计与优化[J].洁净煤技术，2020，23（8）：63-67.