某DN 1 500烟气挡板流量特性的数值模拟*

王战锋，樊 桦

(1. 陕西商洛发电有限公司，陕西 商洛 726000；2. 西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

烟气挡板作为电站锅炉的主要辅助设备，以其调温幅度大、操作安全可靠和运行费用低等优点，被国内外锅炉制造厂广泛采用[1].锅炉尾部烟道竖井通常采用隔墙分为前后两部分，烟气挡板往往设置在分烟道底部，用来调节前后两部分的烟气质量流量，降低主蒸汽和再热蒸汽之间或一、二次再热蒸汽之间的温度差值，提高锅炉运行的经济性[2-4].改变烟气挡板开度能够快速调节主蒸汽和再热蒸汽的温度，大幅减少再热器减温水的用量，降低烟气湿度，避免烟气中的SOx和NOx等腐蚀性气体溶于水后产生强酸腐蚀烟道内的受热面.

目前，关于烟气挡板的研究多集中于烟气挡板的控制策略，如二次再热超超临界机组再热蒸汽温度控制策略[5-6]等，该策略可以将一、二次再热汽温控制在合理范围内.如果要进一步提高烟气挡板控制策略的精确性、快速性和稳定性，就必须结合烟气挡板本身的流量特性来修正烟气挡板的控制策略[7].数值模拟是研究流动部件(如袋式除尘器、空冷系统排气管道和集流式比例阀等)的流动和流量特性时常用的方法[8-18].采用数值模拟研究烟气挡板的流量特性，能够得到烟气挡板内部工质的速度场、压力场、流量和压降等重要参数，为工况优化及结构改造奠定理论基础.笔者拟利用Fluent软件计算和模拟某DN 1 500烟气挡板在不同压降和开度下的烟气质量流量及烟气速度矢量，以及拟合流量特性分段函数，以期为烟气挡板控制策略的设计、校验和优化提供技术支撑.

1 数值模拟模型与计算条件

1.1 模型建立

某DN 1 500烟气挡板如图1所示.该烟气挡板利用上、中、下3片可以转动的活动挡板实现烟气质量流量调节，方便起见，依次称为上挡板、中挡板和下挡板.上挡板和下挡板沿顺时针方向打开，中挡板沿逆时针方向打开，在挡板运行过程中，3片挡板打开的角度一致(该角度称为挡板开度，用θ表示).该烟气挡板的设计要求为：挡板的工作压降不超过1 000 Pa，挡板全开时阻力不大于100 Pa.

图1 某DN 1 500烟气挡板Fig. 1 A DN 1 500 Flue Gas Damper

1.2 计算条件设置

采用Fluent数值模拟软件，选择带有增强壁面函数修正的RNGk-ε双方程湍流模型计算流场.设定烟气温度为350 ℃且不可压缩，则烟气密度和动力黏度分别为0.571 kg/m3和2.995×10-5Pa·s.设置烟道出口为压力出口，大小为0 Pa.根据烟气挡板的设计要求，设定挡板压降分别为100，300，500，700，1 000 Pa.

图2 θ=10°时DN 1 500烟气挡板对应的80万网格Fig. 2 800 000 Grids for θ=10°

烟气挡板安装在圆形管道内，故烟气流场具有对称性.为了有效减少网格数量、节省计算资源，笔者对计算模型作了合理简化，即选取烟道的中间截面为对称面，只计算烟道与烟气挡板一半的流场.本研究采用非结构网格进行计算，并选用θ=10°的DN 1 500烟气挡板进行网格无关性验证，结果表明，当网格数目大于80万后，其计算结果与80万网格的基本一致，故最终选择80万网格进行计算.图2示出了θ=10°时DN 1 500烟气挡板对应的80万网格.

2 结果与讨论

2.1 烟气质量流量

图3 不同挡板压降下不同挡板开度对应的烟气质量流量Fig. 3 Flue Gas Mass Flow Corresponding to Different Damper Opening with Different Pressure Drop

挡板压降100，300，500，700，1 000 Pa下，挡板开度10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°对应的烟气质量流量(Qθ)如图3所示.

从图3可以看出，挡板压降保持不变，烟气质量流量随着挡板开度的增大而增大，θ>80°后增长幅度略有下降.以挡板压降为1 000 Pa为例：θ=40°时的烟气质量流量(15.12 kg/s)比θ=10°时的(3.58 kg/s)增加了11.54 kg/s，θ=80°时的烟气质量流量(67.66 kg/s)比θ=50°时的(22.14 kg/s)增加了45.52 kg/s，45.52 kg/s是11.54 kg/s的3.94倍；θ=70°时的烟气质量流量(48.34 kg/s)比θ=60°时的(31.94 kg/s)增加了16.40 kg/s，θ=80°时的烟气质量流量(67.66 kg/s)比θ=70°时的(48.34 kg/s)增加了19.32 kg/s，θ=90°时的烟气质量流量(79.21 kg/s)比θ=80°时的(67.66 kg/s)增加了11.55 kg/s，11.55 kg/s是16.40 kg/s的70.43%，是19.32 kg/s的59.78%.这说明，40°≤θ≤80°时，挡板开度对烟气质量流量的影响较明显，而在其他开度下的影响不明显.

挡板压降100 Pa对应的烟气质量流量随着挡板开度的变化趋势与挡板压降1 000 Pa的类似，但前者的变化趋势更平缓，说明挡板压降越小，挡板开度对烟气质量流量的影响越不明显.挡板压降为100 Pa时，挡板全开对应的烟气质量流量最大(25.05 kg/s)，而按照设计要求，挡板全开时阻力不大于100 Pa，说明在烟气挡板全开时烟气质量流量不能高于25.05 kg/s.

从图3还可以看出：θ=10°时，挡板压降100，300，500，700，1 000 Pa对应的烟气质量流量分别为1.13，1.96，2.54，3.00，3.58 kg/s，烟气质量流量变化范围为2.45 kg/s；θ=40°时，挡板压降100，300，500，700，1 000 Pa对应的烟气质量流量分别为4.78，8.28，10.70，12.66，15.12 kg/s，烟气质量流量变化范围为10.34 kg/s，比θ=10°时的增加了3.22倍；挡板全开时，挡板压降100，300，500，700，1 000 Pa对应的烟气质量流量分别为25.05，43.39，56.02，66.28，79.21 kg/s，烟气质量流量变化范围为54.16 kg/s，比θ=10°时的增加了21.11倍.这说明，挡板开度一定时，烟气质量流量随着挡板压降的增大而增大，且挡板开度越大，变化趋势越明显.

2.2 烟气速度矢量

挡板压降100，300，500，700，1 000 Pa下，挡板开度10°，30°，50°，70°，90°对应的烟气速度矢量的模拟计算结果表明：不同压降下，烟气速度矢量和烟气最大流速随挡板开度的变化趋势基本一致；开度一定时，压降1 000 Pa对应的烟气最大流速高于其他压降的；与其他压降相比，压降1 000 Pa时烟气最大流速随挡板开度变化的幅值更大.因此，以挡板压降1 000 Pa为例就能很好地反映烟气速度矢量随挡板开度的变化趋势(图4).

图4 挡板压降1 000 Pa下不同挡板开度对应的烟气速度矢量Fig. 4 Velocity Vector Diagrams Corresponding to Different Opening of the Damper with 1 000 Pa Pressure Drop

从图4可以看出：挡板开度越大，烟气速度场分布的均匀程度越好；高速区域多分布在挡板开口处，且挡板开度越小，高速区域聚集于挡板开口处的现象越明显，高速区域的速度与其他区域的差距越大.

从图4还可以看出：θ=30°时的烟气最大流速(74.5 m/s)比θ=10°时的(61.9 m/s)增加了20.36%；θ=70°时的烟气最大流速(169.0 m/s)比θ=50°时的(91.0 m/s)增加了85.71%；θ=90°时的烟气最大流速(165.0 m/s)比θ=70°时的(169.0 m/s)略小.这说明，相同的挡板压降下，挡板开度逐渐变大时，烟气最大流速先小幅增加，再大幅增加，最终略微下降.这是因为，流场最大速度往往取决于流场的平均速度及速度分布的均匀程度，其中，流场的平均速度与烟气质量流量成正比，流场最大速度与流场的平均速度成正相关，流场最大速度与速度分布的均匀程度成负相关.

结合图3和图4可见：挡板压降保持不变，θ≤50°时，随着挡板开度的增大，烟气质量流量增加，相应地，烟气平均速度增加，流场均匀性逐渐改善，但烟气平均速度增加的趋势占优，故此时烟气最大流速稳步升高；50°<θ≤70°时，随着挡板开度的增大，烟气质量流量大幅增加，烟气平均速度也快速增加，相比之下，流场均匀性提高不多，此时烟气最大流速迅速升高；θ>70°时，随着挡板开度的增大，烟气质量流量增加的速度放缓，烟气平均速度增加的幅度稍有下降，而流场均匀性大大提升，占据主导，此时烟气最大流速略微下降.在实际运行过程中，烟气中往往带有烟尘颗粒，挡板开度越小，烟气速度矢量分布均匀程度越差，烟尘颗粒越容易富集于挡板局部而磨损挡板，缩短挡板的使用寿命，因此应尽量避免挡板在小开度下长时间工作.

2.3 流量特性分段函数

拟合流量特性曲线并获得相关的数学表达式，有助于预测挡板在运行过程中的流量变化，便于监控与调整挡板开度，保证锅炉安全、稳定、经济运行.根据设计要求，挡板全开时阻力不大于100 Pa，因此选取挡板压降100 Pa对应的流量特性进行拟合.假设图3相邻2点之间的流量按直线分布，则挡板压降100 Pa对应的流量特性分段函数为

(1)

其中Qθ为挡板开度θ对应的烟气质量流量.烟气质量流量增长率(qθ)的计算公式为

(2)

结合(1)，(2)式可知：当θ<23°时，每个挡板开度对应的流量增长率均明显大于5%，甚至可达7.96%，不利于精准调节流量；当23°≤θ≤81°时，每个开度对应的流量增长率均接近5%，能够满足大多数工况下的流量调节需求；当θ>81°时，每个开度对应的流量增长率均小于2%，此时挡板开度的变化对烟气质量流量的影响不大，挡板的流量调节能力变弱.因此，建议烟气挡板的常用开度区间为23°≤θ≤81°.

3 结论

采用Fluent数值模拟软件，选择带有增强壁面函数修正的RNGk-ε双方程湍流模型计算了某DN 1 500烟气挡板在压降为100，300，500，700，1 000 Pa时不同挡板开度对应的烟气质量流量，以及压降为1 000 Pa时不同挡板开度对应的烟气速度矢量，并且拟合了挡板压降为100 Pa时的流量特性分段函数.研究结论如下：

(1)烟气质量流量随着挡板开度的增大而增加，但增长趋势在θ>80°后略有下降.由于挡板压降100 Pa下，烟气质量流量在挡板全开时最大(25.05 kg/s)，因此要保证挡板全开时压降小于100 Pa，全开时的烟气质量流量就不能超过25.05 kg/s.

(2)相同的挡板压降下，随着挡板开度的增大，烟气流场均匀性逐渐改善，烟气最大流速先小幅增加，再大幅增加，最终略微下降.考虑到流场不均匀导致的挡板局部磨损，应当尽量避免挡板在小开度下长时间工作.

(3)当23°≤θ≤81°时，每个挡板开度对应的流量增长率均接近5%，能够满足大多数工况下的流量调节需求，因此使用过程中尽量在23°≤θ≤81°范围内调节烟气质量流量.