烟风道布置低温省煤器流场均匀性分析

张立贤，刘庆鑫

(1.国家能源集团双鸭山发电有限公司，黑龙江 双鸭山 1551002；2.国网大连供电公司，辽宁 大连 116000)

随着电厂用煤成本不断升高，火力发电经济效益下降幅度也越来越大，部分电厂采取不少节能措施[1]，其中降低锅炉排烟温度是常用手段，而在烟风道中增设低温省煤器[2-6]是一种比较直接有效的方式，但是由于低温省煤器是由大量蛇形管组成，高温烟气经过这些管组换热效率受流场均匀程度影响很大[7]，因此加装低温省煤器之前需要在烟道内布置导流板，实现控制流场均匀性的目的，特别是低温省煤器入口流场均匀性直接影响换热效率，本文采用计算流体理论对加装导流板前后烟风道内流场速度场分布进行分析，得到合理的导流板布置方案.

实际烟道结构是非常复杂的，其中包括了负荷的不稳定波动、烟气携带的飞灰颗粒以及其他内部支撑钢架结构等，无法在模拟过程中进行真实还原.因此，研究在满足工程要求的条件下，为了便于模拟计算，对模拟段烟道系统内气流状况作如下假设和简化：

(1)烟道内气流压力差较小，流动速度不大，并且温度差也不大，则实际上烟气所产生的体积变化也不大，故将模拟段流体视为不可压缩牛顿体；

(2)计算入口的流场分布和实际的运行状况及出口气流分布有关，在计算过程中，假定进口处速度分布均匀；

(3)在实际烟道模型中，有一些支撑烟道和导流板等的钢梁部件，在模拟过程中忽略这些对流场影响较小的内部构造(构架，梁等)；

(4)为了使计算结果更符合实际情况，计算采用多孔介质模型简化低温省煤器流动域.

1 计算几何与控制方程

为了改善烟风道内流场均匀性，在改造方案中主要在烟气流向转变位置加装导流板，具体烟气出入口和低温省煤器布置位置，如图1所示.导流板布置位置情况，如图2所示.

图1 计算几何与边界条件位置图2 导流板布置位置

计算流体力学(CFD)[8-10]是建立在经典流体力学与数值计算方法基础之上的一门独立学科，通过计算机数值计算和图像显示，在时间和空间上定量描述流场的数值解，并以此预测流体运动规律.CFD 方法兼有理论性和实践性的双重特点，在CFD中，把流体运动控制方程中的积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使得积分或微分形式的控制方程转化为代数方程组；然后，通过计算机求解这些代数方程组，从而得到流场在离散的时间和空间点上的数值解.本文中选用如下数学模型[11]，连续性方程(质量守恒方程)为

(1)

动量方程的表达式为

(2)

烟道内的烟气流动表现为三维湍流反应流，因此采用基于k-的双方程模型对湍流控制方程进行封闭求解，而雷诺平均方程则作为控制方程.

k方程为

(3)

ε方程为

(4)

公式中：Gk为湍流动能；Gb为湍流动能变化则是由浮力引起的；YM为在可压缩湍流中，过度的扩散产生的波动；C1、C2和C3为常量；湍流动能及其耗散率的普朗特数由σk、σ来表示；Sε和Sk为自定义量.

换热器管束内部的结构十分复杂紧凑，要想建立与实际一样的1：1模型是不可能实现的，而在流场的设计方面只需考虑其系统压降，所以我们在合理的假设下进行简化，采用多孔介质来模拟.其压降损失模拟为[12]

，

(5)

公式中：Si为i方向上动量源项，Pa/m；μ为流动动力粘度，Pa·s；α为介质渗透性；vi为i向速度分量，m/s；ρ为密度，kg/m3；C2为内部阻力因子，1/m.

计算对象由水平烟道、低温省煤器和垂直烟道组成，忽略了连接处的膨胀节等附属管件，烟气流经低温省煤器的烟气温度为130 ℃，其入口流速为5.54 m/s，如图1、图2所示.

本文采用变异系数[13]对烟道截面流场和温度场均匀程度进行定量分析，其计算公式为

CV=(标准偏差SD/平均值Mean)×100%.

(6)

2 计算结果

加装导流板前后的压力分布情况，如图3所示.计算结果表明，加装导流板前后，计算区域压降变化不大，说明加设导流板不会提高烟气阻力，满足设计压降需求.

改造前后烟风道整体速度分布与烟气流线情况，如图4所示.计算结果表明，加装导流板前流场速度分布存在明显的高低速区域，特别是在低温省煤器入口位置，表现出中心区域流速过高的现象，低温省煤器入口速度分布情况，如图5所示.因此，这样的分布情况不利于换热，也会加大管壁面磨损的可能.加设导流板后，烟气在导流板的作用下发生流向的改变，在低温省煤器入口位置的速度场分布的均匀性得到明显改善.

改造前后烟风道整体温度分布情况，如图6所示.计算结果表明，加装导流板前，低温省煤器上下部温度出现分层明显的现象，在低温省煤器入口位置，也表现出温度场相对分布均匀的现象，如图7所示.加设导流板后，在低温省煤器入口位置的温度场分布的均匀性得到明显改善.

低温省煤器入口截面流场均匀程度不但直接影响低温省煤器的换热效率.而且还会影响低温省煤器磨损寿命，通过添加导流板前后，低温省煤器入口温度与流场变异系数计算结果，如表1所示.

表1 改造前后低温省煤器入口截面温度与速度对比

结果表明：改造前后对低温省煤器入口截面的温度场影响不明显，但对流场速度影响明显，改后低温省煤器入口截面速度变异系数均小于15%，满足设备设计要求.

3 结 论

本文将低温省煤器区域考虑为多孔介质，实现对计算过程的合理简化，采用数值模拟手段对加设导流板前后流场和温度场进行计算对比.结果表明：在原烟风道中增加低温省煤器会影响原始烟风道内的流场，而通过合理布置导流板的方式能够在不大幅度提高流阻的前提下，使得低温省煤器入口位置烟气温度场和速度场的均匀性得到有效改善，能够为后期改造工作提供理论参考，降低工程实验成本和施工设计成本.