准能矸石电厂4# 机组烟道优化设计数值仿真

贾瑞龙，王立新，张 选，马鹏飞，闫金山，尚 庆

（1.神华准格尔能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯010399；2.中国航天空气动力技术研究院，北京100074）

为改善大气环境质量， 实现我国煤电的超低排放改造， 全国各地电厂均在进行相关设备的升级与改造[1-2]。 电厂锅炉烟风系统的风机设备是燃煤机组重要耗电设备， 如果能够对烟风系统或烟道结构进行优化[3-5]，降低运行阻力，可以大幅度降低电厂能耗，达到节能减排的目的。 这里本文将电厂锅炉尾部烟道作为研究重点，提出几种优化设计改造方案，并使用流体力学数值计算仿真模拟手段， 对优化设计方案进行研究， 分析了优化设计方案的烟道阻力及两路流量均衡性，择优选择优化设计方案，指导电厂锅炉尾部烟道的优化设计改造工作。

1 4# 机组烟道构型

电厂4#机组的锅炉尾部烟气，分别经过两台空预器进行热交换， 而后流经两路结构对称设计的烟道，在两路水平烟道之间设置有联箱（如图1 所示），再爬升进入两路布袋除尘器。 可以看到，烟道结构中有很多弯曲构型、直角弯头、联箱等，预估会使得烟气流动不那么顺畅，为了减少烟道阻力，势必对这些结构进行改进或调整。

图1 准能矸石电厂4# 机组尾部烟道结构示意图

2 烟道结构优化设计方案

本文提出3 种优化结构方案，对原有烟道结构的问题进行了改进。 图2～图4 分别给出了3 种烟道优化方案的结构示意图。 图2 所示方案中，两路烟气水平拐弯后，先汇合，而后再分两路，进入除尘器，相比较原烟道来讲，去除了直角弯头与联箱结构，使得结构得到优化。 图3 所示方案中，则是两路烟气分别独自直接经过圆滑的弯头并爬升至两路除尘器，不再进行中间的汇合， 估计这样可使得烟道阻力减少最多。图4 所示方案中，则是取消了烟气从空预器出来的水平拐弯，直接垂直拐弯，经弧形弯头汇聚，而后爬升再分两路进入除尘器，预计也能减少烟道阻力。

3 数值计算方法

图2 烟道优化方案1 结构示意图

图3 烟道优化方案2 结构示意图

本文数值计算仿真过程中使用到了流体力学的连续方程、动量方程、能量方程，并结合了工程上广泛应用的标准k-ε 双方程模型[6]，计算格式使用了二阶迎风格式， 烟气粒子的运动则使用随机轨道模型模拟[7]，主要考虑到作用在颗粒上的气相阻力和重力，其它力相对较小可忽略不计。 原有的锅炉尾部烟道结构较为复杂，烟气流动有垂直拐弯、水平拐弯、爬升，流动本身会产生漩涡分离，这些都会带来较大的烟道阻力。 使用数值模拟方法可以对烟道结构产生的流动阻力进行分析， 还能够对设计过程中的优化结构进行预先评估，提高效率。

图4 烟道优化方案3 结构示意图

4 计算工况及边界条件

计算中， 计算域入口使用质量流量入口边界条件，烟气体积总流量234e+4 m3/h，温度约145 ℃，烟气 成 分 大 致 为 N273% ，O22.66% ，CO214.9% ，H2O9.45%。 出口使用压力出口边界条件，烟道壁面假设无热交换。烟气中的粉尘颗粒质量流量约为87 t/h。数值模拟仿真计算，分别对烟气的气体流动开展了计算研究， 还对烟道中的气体颗粒两相流动开展了研究。

5 烟道优化设计数值计算结果与分析

经过数值计算， 分别得到了各种优化设计方案的烟道阻力，包括含粉尘与不含粉尘的情况，并与原烟道的阻力进行了比较（如表2 所示）。 从表中可以看出：①3 种烟道优化方案，考虑粉尘影响与不考虑粉尘影响的烟道阻力计算数值，二者差异均在20 Pa以内，该数值很小，即在优化设计方案中粉尘带来的阻力影响很小；②3 种烟道优化方案中，方案2 阻力最小约220 Pa，方案1 阻力约为310 Pa，方案3 阻力约为360 Pa；③方案2 中由于缺少联箱设计，无法起到均衡两个空预器出口的两路烟气的作用， 方案3中，由于烟道拐弯半径太小，与烟道内的烟气流动不匹配，反而会引起较大的阻力；④方案1 的烟道优化设计使得烟气拐弯阻力减少， 且两路烟气汇合部位的设计能够起到平均两路烟气流的作用， 应该是性能比较均衡的优化方案。

表2 烟道阻力数值

图5 分别给出了原烟道结构与3 种优化设计结构的内部剖面烟气流线图。 从图5（a）中可以看到，烟气经由空预器垂直向下流动， 而后拐弯进入水平烟道，再拐弯经过直角弯头进入联箱，并从联箱上部两个出口爬升至除尘器入口，在水平烟道、直角弯头与联箱附近可以看到烟气流线较为混乱， 有很多涡结构，并且呈现出三维漩涡运动特征，这使得流动阻力较大；从图5（b）中可以看出，圆弧弯头与先汇聚再分开的联通设计，使得流线较为顺畅，减少了烟道阻力；从图5（c）中可以看出，由于左右两路烟气未设置联通结构， 直接由圆弧设计的管道流至除尘器入口，流线更为顺畅，烟道阻力可以降低更多；从图5（d）中可以看出，烟道虽然采用了圆弧弯头设计，但是可能由于转弯半径过小， 在联通烟道附近引起了较强的漩涡流动结构， 这使得烟道阻力减少并是不是特别多。

图6 分别给出了原烟道结构与3 种优化设计结构的内部剖面流场压力分布图。 从图6（a）的剖面压力云图中可以看出， 在直角弯头和联箱附近及爬升段，是压力损失较大的地方。 而图6（b）、（c）、（d）的剖面压力云图中，与图6（a）相比较，明显看出烟道入口和出口的压力差减少很多， 表明3 种优化设计方案均能较大地减少烟道阻力。

图7 分别给出了原烟道结构与3 种优化设计结构的内部流场烟气流线图。 从图7（a）中可以更加清晰直观地看到烟道内部流动漩涡结构， 相应的在该部位附近也是阻力最大的位置。 同时还看到，3 种优化设计方案使得流线走势更为光顺， 削减了漩涡流动结构，使得烟道阻力减少。

图5 烟道内部剖面流场烟气流线图

图6 烟道内部剖面流场压力分布图

图7 烟道中烟气流线图

图8 与图9 分别给出了原烟道与优化设计方案1 的进出口流量计算情况， 图中的曲线则是进出口流量随着计算过程的变化趋势。 图8（a）、（b）分别是进口流量偏差±5%与±10%条件下的出口流量情况，图中上侧两条线表示进口流量，是计算设定条件，可以看出进口流量平稳保持设定数值， 图中下侧是计算出的两路出口流量，可以看出，这两条线走势很不稳定，表明两路出口的烟气流量不均衡、不稳定。 图9（a）、（b）给出的优化设计方案1 的流量情况，可以看到， 在两路入口给定流量偏差±5%与±10%条件下，两路出口流量的两条线走势平稳，且计算出的流量偏差相比于入口流量偏差还有所缩小， 说明优化设计方案1 中的联通结构起到了重要的均衡作用。

图8 原烟道进出口流量计算情况图

表3 给出了原烟道与优化设计方案1 的从空预器出来的两路烟气流量的均衡性情况。 可以看到，当两台空预器内部发生问题， 使得两路烟气不均匀时，比如，一路在原有流量基础上增加5%，另一路在原有流量基础上减少5%，那么在后续的除尘器入口附近，两路烟气的流量不均衡程度会扩大， 流量偏差接近了±14%，并且烟道总阻力是增加的；而若两路由空预器带来的入口流量偏差±10%的话， 那么后续两路烟气流量偏差则达到±18%。 原烟道中的联箱设计没能发挥出应有的作用。 从表3 中还可以看到，烟道优化设计方案1 的流量分配情况，当两路入口烟气流量偏差±5%时，两路出口烟气流量偏差为±3%，当两路入口烟气流量偏差±10%时，两路出口烟气流量偏差为±6.6%，流量不均衡也会使得烟道阻力增加，但阻力增加量较小，表明优化设计方案1 给出的烟道联通结构能够对两路烟气流量的均衡起到一定的作用。

图9 优化方案1 的进出口流量计算情况图

表3 两路烟道流量均衡性研究

6 结论

本文开展的电站锅炉尾部烟气烟道优化设计研究，提出了3 种优化设计方案，且进行了数值模拟仿真计算，研究表明3 种方案均能够减少烟道阻力，但其特点不尽相同，可以得到的研究结论如下：

（1）3 种烟道优化方案，考虑粉尘影响与不考虑粉尘影响的烟道阻力计算数值， 二者差异均在20 Pa以内，影响很小；其中，方案2 阻力最小约220 Pa，方案1 阻力约为310 Pa，方案3 阻力约为360 Pa；还有，方案2 中缺少联箱设计， 无法均衡两路烟气， 方案3中可能由于烟道拐弯半径过小，反而引起较大阻力。

（2）烟道流场内部流线分析表明，原烟道在水平烟道、直角弯头与联箱附近烟气流线紊乱，呈现出三维漩涡运动特征，这使得流动阻力较大；而3 种优化设计方案， 均采用了光滑过渡的圆弧构型的烟道部件，使得流线较为光顺流畅，减少了烟道阻力。

（3）烟道结构设计中两路烟气均衡性研究表明，原烟道两路烟气流量若偏差±5%， 则烟道出口两路烟气流量偏差会扩大到±14%， 若两路入口流量偏差±10%， 那么烟道出口两路烟气流量偏差则达到±18%，并且烟道总阻力增加；而烟道优化设计方案1的流量分配情况，当两路入口烟气流量偏差±5%时，两路出口烟气流量偏差为±3%， 当两路入口烟气流量偏差±10%时，两路出口烟气流量偏差为±6.6%，流量不均衡也会使得烟道阻力增加， 但阻力增加量较小， 可见优化设计方案1 对均衡两路烟气流量能够起到一定的作用。