660 MW机组除尘器入口烟道流场分析

赵大周

(华电电力科学研究院，杭州 310030)



660 MW机组除尘器入口烟道流场分析

赵大周

(华电电力科学研究院，杭州 310030)

采用数值模拟的方法研究了国内某660 MW机组除尘器入口烟道的流场分布，研究发现：除尘器入口两列烟道内的烟气量分配不均匀，A列烟道的烟气量约为B列烟道烟气量的1.2倍，通过在两列烟道交叉处添加一块长约1 300 mm的挡板，可使两列烟道烟气量之比约为1∶1，此时系统的压降增加20 Pa，并可改善飞灰分布的均匀性。

除尘器； 烟道； 流场； 数值模拟； 飞灰

烟道是连接电站系统各设备的主要部件，同时也用于输送烟气、冷风等介质[1]，其设计的合理与否直接影响着锅炉机组的经济性和安全运行，而除尘器入口段烟道，决定着进入除尘器烟气量的分配以及进入除尘器烟气速度分布的均匀性，进而影响除尘效果，并且随着国家对燃煤电站粉尘颗粒物排放要求的不断提高，通过改善除尘器入口烟道的流场分布来提高除尘效率的研究具有重要意义[2-5]。

笔者以国内某660 MW燃煤电厂除尘器与空气预热器之间的烟道为研究对象，通过数值模拟的方法，为烟道系统的优化设计提供参考。

1 几何模型

研究对象为国内某660 MW机组空气预热器与除尘器之间的一段烟道，入口烟道截面尺寸为10 484 mm×2 696 mm，两段出口烟道截面尺寸均为5 000 mm×4 000 mm。 CFD几何模型根据电厂提供的竣工图等比例建立，模型见图1。采用Gambit软件对模型进行网格划分，规则烟道采用六面体网格，含有导流板的烟道采用非规则网格。整个模型的网格数量约40万，模型的网格划分见图2。

图1 烟道示意图

图2 烟道网格划分

2 数学模型

2.1 控制方程

烟气在烟道内的流动状态为湍流，控制方程包括连续性方程、能量方程、动量方程、标准k-ε方程，通用形式为：

div(ρuφ)=div(Γgradφ)+S

(1)

式中：ρ为烟气密度，kg/m3；u为烟气流速，m/s；φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

由于飞灰在烟气中的体积率较小，因此可采用拉格朗日离散相模型和颗粒轨道模型来进行模拟研究。考虑到烟道内的湍流，采用随机漫步模型(Discrete Random Walk，DRW)来模拟湍流对飞灰运动的影响。忽略飞灰颗粒受到较小的浮力、Basset力、Saffman力等作用力，主要考虑重力和曳力的作用，颗粒运动方程为：

(2)

式中：u烟气速度，m/s；up飞灰颗粒速度，m/s；FD(u-up)为单位质量飞灰颗粒所受的曳力，N；ρp为飞灰颗粒密度，kg/m3；ρ为烟气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

2.2 边界条件

烟气入口速度为充分发展的湍流，反应器出口为压力出口条件。速度与压力的耦合采用Simple算法。笔者以机组600 MW负荷下的工况为例进行模拟研究，模拟采用的烟气量为该负荷段DCS的平均值。反应器入口烟气参数见表1。

表1 反应器入口边界条件

3 结果与讨论

3.1 流场分布

目前，工程中多以速度相对偏差系数来描述速度分布的均匀程度，其数值越大表明流场分布的均匀性越差。速度相对偏差系数Cv定义为：

(3)

模拟得到模型中速度分布见图3。

图3 速度分布

经计算，A、B两列烟道烟气流量存在偏差，A列烟道内烟气量约为B列烟道烟气量的1.2倍，并且A列烟道出口速度的相对偏差系数为13.67%，B列烟道出口速度的相对偏差系数为16%。为解决两列烟道内烟气量存在的偏差，现在两列烟道交叉处安装一块挡板，见图4。

图4 挡板安装示意图

分别模拟了不同挡板长度对流量分配均匀性的影响，模拟结果见图5。

图5 挡板长度对流量分配的影响

由图5可以看出：A、B两列烟道交叉处添加一块挡板能有效改善气流分配的均匀性，随着挡板长度的增加，气流分配越均匀。挡板长度约1 300 mm时，两列烟道流量几乎相同，此时A列烟道出口速度不均匀系数为13.3%，B列烟道出口速度不均匀系数为19.8%，改造后两列烟道出口速度分布的不均匀性变化不大；当挡板长度超过1 300 mm，A列烟道的流量开始小于B列烟道。

两列烟道交叉处添加一块挡板可有效改善烟气流量分配的均匀性，但其对系统的压力损失也会产生影响。模拟得到不同挡板长度对系统的压力损失的影响见图6。

图6 挡板长度对压力损失的影响

由图6可看出：随着挡板长度的增加，系统的压力损失逐渐增大，当挡板的长度增大到1 300 mm时，系统压力损失增加约20 Pa，对整个锅炉机组影响较小，改造方案可行。

3.2 飞灰分布

假设入口飞灰分布均匀，且飞灰颗粒与烟气有相同的初始速度，飞灰粒径分布服从Rosin-Rammler分布。模拟得到飞灰颗粒在烟道内的分布见图7。

由图7可看出：在重力作用下，飞灰颗粒容易沉积在上转角烟道的下部以及水平烟道的底部。而该机组又长期处于中低负荷运行，烟气量较小，因此烟道内的速度较低，在低烟气流速的情况下，飞灰颗粒更易沉积，应在机组停运期间及时清理烟道内的积灰。

图7 飞灰质量浓度分布

计算得到不使用挡板时A、B两列烟道出口飞灰浓度分别约为0.017 kg/m3、0.016 kg/m3，A列烟道飞灰浓度略高于B列烟道。当使用长度约为1 300 mm的挡板时，计算得到A、B两列烟道出口飞灰浓度分别约为0.016 6 kg/m3、0.016 4 kg/m3，飞灰分布的均匀性在一定程度上也得到改善。

4 结语

利用数值模拟的方法针对国内某660 MW燃煤电厂除尘器前烟道内的流场分布进行了研究，得到如下结论：

(1) 两列烟道内烟气量分布差异较大，A列烟道与B列烟道内流量比约1.2∶1。

(2) 在两列烟道交叉处添加一块挡板可有效改善烟气量分配的均匀性，挡板长度1 300 mm时，两列烟道内的流量比约为1∶1，此时A列烟道出口速度不均匀系数约为13.3%，B列烟道出口速度不均匀系数约为19.8%，系统的压力损失增加约20 Pa。

(3) 飞灰易沉积在上转角烟道以及水平烟道的底部，挡板的使用在一定程度上改善了两列烟道飞灰量分布的均匀性。

[1] 车德福,庄正宁,李军,等. 锅炉[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社,2008: 65-66.

[2] 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): 1-6.

[3] 张乐川,蒋莉,侯振. 除尘器前烟道优化设计分析[J]. 电站系统工程,2010,26(4): 33-34.

[4] 李国堂,李立晓,白穜. 除尘器前圆形烟道流场的数值模拟[J]. 锅炉技术,2014,45(1): 22-25.

[5] 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.

Analysis on Inlet Flow Field of Dust Collector in a 660 MW Power Unit

Zhao Dazhou

(Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China)

The distribution of inlet flow field in dust collector of a 660 MW unit was studied by numerical simulation. Results show that the flue gas was not distributed uniformly in two columns at the inlet of dust collector; the flue gas amount in column A was about 1.2 times of that in column B. The flue gas amount can be balanced by adding a baffle about 1 300 mm long at the intersection of the two columns,when the pressure drop of system would be increased by 20 Pa,with improved uniformity of the fly ash.

dust collector; flue duct; flow field; numerical simulation; fly ash

2016-09-29；

2016-10-26

赵大周(1990—)，男，助理工程师，从事燃煤电站大气污染物的控制。

E-mail: seudzz@126.com

TK223.27

A

1671-086X(2017)04-0227-03