除尘器前烟气冷却器烟道流场数值模拟研究

谢昌亚　李翔勇　朱龙飞　庞春凤

摘 要 为解决某660 MW机组烟气冷却器换热管束磨损严重的问题，基于FLUENT软件，对该机组空气预热器至除尘器之间的烟气冷却器烟道流场进行了数值模拟研究，并诊断分析了管束磨损严重的原因。基于分析结果提出了烟气冷却器入口烟道结构优化设计方案，该方案能降低烟气冷却器入口烟气流速、减小入口最大速度偏差系数，从而减轻磨损情况，使烟气冷却器换热更加均匀。

关键词 烟气冷却器 换热管束 磨损 流场模拟 结构优化

中图分类号 TQ055.8+1   文献标识码 A   文章编号 0254?6094（2023）02?0192?06

通常电站锅炉的排烟温度为120～140 ℃，能量损失为3%～8%，排烟损失占锅炉总热损失的80%以上，因此，对排烟余热进行回收和利用可显著提高锅炉效率，实现节能减排。在锅炉尾部烟道除尘器前增加烟气冷却器，利用回热系统的低温给水吸收锅炉排烟余热，可大幅降低排烟温度、提高锅炉效率，进而提高系统的经济性。李慧君等对330 MW机组双级烟气冷却器系统热经济性进行了分析，结果表明，引入烟气冷却器后机组煤耗降低了2.69 g/（kW·h），效率由47.35%提高至48.16%，二氧化碳排放量每年可减少18 322.90 t［1］。可见，增加煙气冷却器能够有效实现节能减排的目标。目前，许多电厂都已经在尾部烟道增加了烟气冷却器，但是由于除尘器前安装烟气冷却器的空间有限且设计经验不足，导致引入烟气冷却器后烟道结构紧凑，尤其是烟道与烟气冷却器连接的扩口比较陡峭，使得烟气冷却器入口部分区域流速过高。烟气流速偏差增大，不仅会降低烟气冷却器的换热效率，还会对烟气冷却器管路造成磨损、冲刷。

近年来，研究学者们对除尘器前的烟道流场进行了大量的数值模拟研究。何林菊等对低温电除尘器烟道进行了数值模拟研究，确定了流量分配和流场的均匀性［2］。王为术等对除尘器区烟气冷却器烟道的流场均化和导流优化设计进行了数值模拟研究，分析了流场不均对除尘器区烟气冷却器和除尘器工作性能的影响，并提出了有效的优化方案［3］。苗世昌对除尘器区烟气冷却器烟道流场进行了数值模拟研究，分析了速度分布不均对烟气冷却器和除尘器工作效果的影响［4］。刘明等对除尘器前烟道流场进行了数值模拟研究，并提出3个优化改造方案，使阻力大幅下降、磨损减轻，进入除尘器的烟气得以均匀分配［5］。龙隽雅对烟气冷却器前后烟道流场均匀性进行了模拟研究［6］。张燕采用数值模拟方法对加装烟气冷却器后的锅炉尾部烟道进行了研究，分析了烟道内部流场对烟气冷却器的影响［7］。文献［8～12］均对除尘器前烟道流场进行了模拟研究，部分进行了优化设计改造。然而这些研究均将重点放在流场均匀性对除尘器工作效率的影响上，没有涉及烟气冷却器磨损严重的问题。烟气冷却器磨损严重威胁整个系统的安全运行，会造成严重的经济损失，为此笔者针对某电厂2×660 MW烟气冷却器管束磨损严重的问题，基于FLUENT软件对空预器至除尘器之间的烟气冷却器烟道进行了流场数值模拟研究，诊断分析磨损严重的原因并提出优化方案，为工程技术改造提供参考。

1 计算模型与数值方法

1.1 三维建模

某660 MW超临界锅炉机组的尾部设置有两台三分仓容克式空气预热器，每座锅炉配置有两台双室四电场电除尘器，每台空气预热器和电除尘器之间布置有两台烟气冷却器。两台空气预热器至电除尘器之间的烟道和烟气冷却器布置为对称结构，以一侧为例，其结构如图1所示。在两台烟气冷却器进口变径扩口处各有两块导流板，位置如图2所示。

通过对空气预热器与电除尘器之间的烟道和两个烟气冷却器进行简化获得相应的模型，利用三维制图软件对烟道和烟气冷却器进行三维建模，采用ICEM软件块拓扑进行全局结构化网格划分，在烟道转弯部分和烟气冷却器入口扩口处进行局部加密处理，逐渐细化网格得到网格无关解，最终确定网格总数为100万个。

1.2 计算方法

1.2.1 计算模型

采用FLUENT软件进行数值模拟计算，该烟道内为三维湍流流动。气体湍流模拟是基于雷诺时均N?S方程，选用RNG k?ε双方程湍流模型加以封闭。

2 计算结果与分析

2.1 原烟道系统的速度分布特性

利用上述模型及边界条件，计算原烟道的流场，得到原烟道系统速度矢量图如图3所示。可以看出，整个烟道流场比较混乱，在烟道转弯处存在高速区和漩涡，两烟气冷却器入口扩口处烟气速度较高。

每个烟气冷却器取4个特征截面，观察两烟气冷却器入口速度分布，分析诊断高速区产生的原因。

图4是1#烟气冷却器特征截面速度分布图。可以看出，烟气进入烟气冷却器后，由于流通截面增大，扩口比较陡峭，烟气流动方向由水平改变为沿扩口烟道结构斜向上方，并且由于惯性离心力的作用，在扩口上壁面和导流板处产生壁面分离，烟尘富集在导流板和下斜板上，烟气速度具有了向上的分量，导致扩口处出现烟气高速区。对应于扩口上壁面和两块导流板，1#烟气冷却器入口存在3个高速区域，速度最大达到18.0 m/s，平均速度为10.8 m/s。由于导流板紧靠烟气冷却器管屏，这部分携带灰尘的高速烟气将会直接冲刷换热管束。图5是1#烟气冷却器入口截面磨损位置图，可以看出，模拟计算的烟气高速区与实际磨损位置比较吻合。

2#烟气冷却器特征截面速度分布图如图6所示。与1#烟气冷却器相比，2#烟气冷却器扩口更加陡峭，入口烟气出现高速区，壁面分离现象更明显。在扩口上壁面和两块导流板后方出现烟气高速区，入口烟气速度最大值达到20.0 m/s，平均速度为11.6 m/s。

2.2 无导流板时的速度分布特性

由2.1节可知，导流板紧靠烟气冷却器管屏，导致壁面分离的高速烟气直接冲刷换热管束。将导流板拆除后，对烟道烟气冷却器系统进行数值模拟。图7是无导流板时1#烟气冷却器特征截面速度分布图，可以看出，入口速度分布较为均匀，入口最大速度为15.1 m/s，平均速度为9.3 m/s。

图8是无导流板时2#烟气冷却器特征截面速度分布图，可以看出，入口速度分布较为均匀，入口最大速度为15.0 m/s，平均速度为8.6 m/s。

2.3 增加扩口长度后速度分布特性

为了获得更均匀的入口流场和更低的入口速度，将烟气冷却器入口变径扩口长度增加2 m。图9是将扩口长度增加2 m后1#烟气冷却器特征截面速度分布图。可以看出，扩口长度增加后，壁面分离产生的高速烟气的缓冲长度增加，到达烟气冷却器进口时的速度得以降低，并且速度分布较均匀，入口最大速度12.8 m/s，平均速度9.2 m/s。

图10是扩口长度增加2 m之后，2#烟气冷却器特征截面速度分布图。从图10中可以看出，整体速度分布较均匀，最大速度为10.6 m/s，平均速度为7.3 m/s。

2.4 速度特性对比

表1给出了烟道结构优化前后1#和2#烟气冷却器的入口最大速度、入口平均速度和入口最大速度偏差系数。可以看出，在拆除导流板后，虽然入口最大速度大幅降低，但最大速度偏差系数变化不大，说明仅将导流板拆除能够减轻磨损情况，但入口速度分布还是不均匀。

在拆除导流板的基础上将扩口长度增加2 m后，不仅最大速度和平均速度有所降低，而且最大速度偏差系数也大幅降低，说明增加扩口长度能够有效防止管束磨损并使入口流场分布更加均匀。

3 结束语

笔者采用标准k?ε模型和FLUENT求解器对空气预热器至电除尘器之间的烟气冷却器烟道进行数值模拟，模拟结果很好地解释了该段烟道存在的问题：烟道与烟气冷却器连接的扩口比较陡峭并且导流板紧靠两烟气冷却器，在惯性离心力的作用下，部分烟气流速增大、烟尘在导流板富集，导致携带高浓度烟尘的高速烟气直接冲刷换热管束，磨损比较严重。

为解决该问题，笔者提出将导流板拆除并且增加扩口长度。将导流板拆除后，烟气冷却器进口烟气速度有所降低，但速度分布仍然不均匀，在此基础上，将扩口长度增加2 m，使入口烟气最大流速由18.0、20.0 m/s分别降低至12.8、10.6 m/s，最大速度偏差系数由66%、72%分别降低至37%、43%，有效减轻了烟气冷却器换热管束的磨损。

参 考 文 献

［1］ 李慧君，王妍飞，常澍平，等.330 MW机组双级低温省煤器系统热经济性分析［J］.电力科学与工程，2015，31（6）：63-67.

［2］ 何林菊，骆建友，赵胜清，等.低温电除尘器数值模拟研究［J］.环境工程，2014，32（S1）：391-394；410.

［3］ 王為术，路统，陈刚，等.电除尘区低温省煤器烟道导流优化的数值模拟［J］.华北水利水电大学学报（自然科学版），2014，35（4）：57-60.

［4］ 苗世昌.除尘器区低温省煤器烟道数值模拟［J］.河北工程大学学报（自然科学版），2015，32（2）：65-68；76.

［5］ 刘明，孟桂祥，严俊杰，等.火电厂除尘器前烟道流场性能诊断与优化［J］.中国电机工程学报，2013，33（11）：1-7.

［6］ 龙隽雅.电站锅炉低温省煤器设计及前后烟道流场均匀性模拟［D］.上海：东华大学，2014.

［7］ 张燕.加装低温省煤器后锅炉尾部90°弯道流场的数值模拟［J］.节能，2013，32（2）：34-37；3.

［8］ 施项.电除尘器烟道的数值模拟研究［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

［9］ 李庆，杨振亚，甘罕，等.静电除尘器烟道进口处流场的数值模拟［J］.环境污染与防治，2012，34（1）：1-4.

［10］ 齐晓娟，李凤瑞，周晓耘.电除尘器进口矩形烟道气流分布改进的CFD模拟［J］.环境工程学报，2011，5（2）：404-408.

［11］ 陶克轩，常毅君，张波，等.电厂除尘器入口烟道数值模拟及改造［J］.热力发电，2011，40（1）：52-54.

［12］ 陈杰.电除尘器喇叭口及烟道内气流均布平衡CFD模拟计算［D］.上海：华东理工大学，2012.

（收稿日期：2022-04-25，修回日期：2023-03-14）

Numerical Simulation of the Flow Field of Flue Gas Cooler Front Dust Collector

XIE Chang?ya， LI Xiang?yong， ZHU Long?fei， PANG Chun?feng

（North China Electric Power Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract   For purpose of solving serious dust wear of the heat exchangers bundle of a 660 MW unit flue gas cooler， having FLUENT software based to simulate flow field between the air preheater and the dust collector was implemented， including the cause analysis of tube bundles serious dust wear and the propose of the optimal design of flue gas coolers inlet structure based on the analysis results. The simulation results show that， this scheme proposed can decrease flue gas coolers inlet velocity and max. velocity deviation coefficient， reduce the dust wear and uniformize the heat transfer.

Key words    flue gas cooler， heat exchanger tube bundle， wear， flow field simulation， structure optimization

作者简介：谢昌亚（1992-），工程师，从事火电机组调试及故障诊断和调速系统建模等工作，1252295115@qq.com。

引用本文：谢昌亚，李翔勇，朱龙飞，等.除尘器前烟气冷却器烟道流场数值模拟研究［J］.化工机械，2023，50（2）：192-197.