某600 MW机组引风机出口烟道流场优化

2021-10-08胡善苗韦红旗沙远超

发电设备 2021年5期

胡善苗，韦红旗，沙远超，汪超

(东南大学能源与环境学院，南京 210096)

在国家“节能减排”的号召下，人们越来越重视大型火电机组烟道流场优化。烟道的设计不仅决定风烟系统的阻力，并且会影响机组运行的经济性和安全性。引风机出口烟道的结构决定了其内部流场特性，并且会直接影响引风机的运行状态；同时，出口烟道的流场特性还会影响脱硫塔内的流场，进而影响脱硫效率[1]。因此，对引风机出口烟道流场进行数值模拟研究，保证流场分布均匀，对解决机组振动、提高脱硫效率、减少烟道阻力、保证机组经济安全运行等具有重要意义。

近年来，对锅炉尾部烟道数值模拟的研究越来越完善[2-6]。但在以往的流场优化研究中，缺乏客观的流场评价与分析标准，并且在描述优化效果时，对简单流场的分析存在人为误差，具有一定的片面性。笔者以某电厂600 MW机组为研究对象，针对其引风机振动严重、烟道流场紊乱、管道阻力大的问题，利用计算流体动力学(CFD)数值模拟技术，将脱硫塔内的喷淋层简化为多孔介质模型，对引风机出口烟道流场进行数值模拟，提出烟道优化改造方案，并通过计算烟道烟气的速度、湍动能与速度偏差系数等参数，对优化后的烟道流场进行分析与评价，为烟道流场优化改造提供合理的设计方案与理论依据。

1 设备概况

该600 MW机组配备2台引风机，引风机采用双级动叶可调轴流式风机，其设计参数见表1，其中：T.B工况为风机额定工况，BMCR工况为锅炉最大连续蒸发量工况，THA工况为汽轮机热耗验收工况。烟气从引风机引出，经汇流后进入脱硫塔，引风机出口烟道为方形烟道，不设增压风机、烟气旁路及烟气换热器。机组在实际运行过中，存在引风机轴承箱振动剧烈、出口烟道振动大的问题，影响着机组的安全运行。

表1 引风机设计参数

2 数值模拟

2.1 模型建立

利用三维建模软件，根据现场施工图纸按1∶1进行建模(见图1)。

图1 原结构模型

在满足工程要求的前提下，为便于建模与模拟，对该烟道作出如下假设：

(1)将烟气视为不可压缩牛顿流体，定常流动。

(2)假设引风机出口烟气速度分布均匀。

(3)忽略烟道中支撑杆等对流场影响较小的内部构造。

(4)导流板的厚度相对烟道尺寸较小，模拟时忽略其厚度影响。

采用六面体结构化网格对烟道计算区域进行网格划分(见图2)，对近壁面网格进行加密处理，第一层网格厚度为5 mm，法向增长率为1.5，以适应边界层处烟气速度的变化。将烟道阻力作为特征参数，进行网格无关性验证，最终确定网格数量为246万。采用标准k-ε方程模拟烟气的湍流流动。脱硫塔内浆液液滴对烟气流动的作用采用多孔介质模型进行模拟[7-9]。通过设置不同方向上的黏性阻力与惯性阻力，以保证模拟时的阻力与实际运行情况相近，阻力系数按喷淋层压降设置，喷淋层压降为1 800 Pa。

图2 原结构网格

2.2 边界条件

入口边界条件设置为均匀速度入口，速度按BMCR 工况下的设计烟气量进行计算；出口边界条件设置为大气压力出口；壁面、导流板、隔板均设置为标准无滑移壁面。采用SIMPLEC算法模拟速度场与压力场的耦合，迭代过程采用低松弛迭代的变松弛因子法。

2.3 流场评价标准

采用速度偏差系数来评价烟道内部流场的均匀性。速度偏差系数越小，表示速度分布越均匀[10-11]。速度偏差系数的具体计算公式为：

(1)

3 结果分析

3.1 原结构数值模拟结果

为确保引风机即使在BMCR工况下也不会出现带负荷能力不足问题，进而也能保证锅炉在其他工况下的安全稳定运行，因此选用BMCR工况下的设计烟气量作为边界条件进行数值模拟。

原结构数值模拟结果见图3。

图3 原结构数值模拟结果

由图3(a)可得：原结构中，引风机出口至脱硫塔入口的烟道内流线紊乱，多处形成涡流，主要集中在区域1～区域4。区域 1、区域2 处涡流是因为拐角处烟道结构设计不合理，烟气沿竖直烟道爬升后经拐角进入水平烟道，导致拐角处气流紊乱；区域 3 处涡流是因为两侧流体直接对冲汇流；区域4处涡流是因为烟气在直角烟道转弯时受到离心力的作用。涡流的存在导致引风机出口烟道流场分布不均匀，影响引风机的运行状态，同时会增加烟道流动阻力。

由图3(b)可得：烟气汇流后截面轴向速度分布不均匀，中间存在大面积高速区，两侧上方形成低速涡流区，总体呈现“中间高，两侧低”的分布趋势，截面速度偏差系数高达49.8%；烟气汇流后速度较高且分布不均匀，会导致烟道振动加重和引风机工作效率下降，进而影响机组运行的安全性。由图3(c)可得：脱硫塔入口截面两侧轴向速度分布不均匀，从B侧到A侧递增，截面速度偏差系数为40%；脱硫塔入口截面速度分布不均匀会影响塔内烟气速度的均匀分布，并且影响脱硫效率。

湍动能可以用来衡量烟道内部气流的稳定性。湍动能越大，说明气流越不稳定，能量损耗越大。由图3(d)可得：原结构中，在烟气汇流后截面的中间区域存在较大的湍动能，最大值达到40 m2/s2，是因为两侧流体对冲汇流形成了较大的涡流区域。由图3(e)可得：原结构中，在脱硫塔入口B侧上部近壁区域存在较大的湍动能，最大值达到25 m2/s2，脱硫塔入口气流不稳定。

3.2 优化后结构数值模拟结果

针对原结构流场存在的问题，通过增设导流板、设置倒角等方式对原结构烟道进行优化设计[12-15]。优化后结构模型见图4。

图4 优化后结构模型

具体优化方案为：

(1)在2台引风机出口水平烟道拐角处分别新增一组导流板(优化导流板1)，以改善经拐角向竖直烟道爬升的气流的均匀性。

(2)在两侧竖直烟道后的拐角处增加一组导流板(优化导流板2)，以解决烟道拐角处气流紊乱严重的问题。

(3)在水平烟道汇流处增设一组导流板(优化导流板3)，并增加一块隔板，以解决两侧气流直接对冲汇流而引起的中间速度过高、两侧存在涡流的问题。

(4)在脱硫塔入口水平烟道渐扩段新增一组导流板(优化导流板4)，以改善渐扩段烟气充满度不高的问题。

(5)在脱硫塔入口拐角处，将直角改为倒角，并增设一组导流板(优化导流板5)，以改善脱硫塔入口烟气的均匀性。

优化后结构数值模拟结果见图5。

图5 优化后结构数值模拟结果

对比图3(a)和图5(a)可得：优化后，在引风机出口烟道内，烟气明显分布得更为均匀，拐角处设置的导流板消除了大范围的涡流；两侧烟气汇流时经导流板与隔板的作用，气流流动相对更加平稳，在烟道中的充满度得到了提高。

对比图3(b)和图5(b)可得：优化后，汇流后截面轴向速度分布变得均匀，中间的高速区与两侧的低速涡流区均已消失，截面速度偏差系数由49.8%降至14.9%，减轻了高速气流对烟道的冲击，有利于提高烟道流场均匀性，减轻烟道振动。对比图3(c)和图5(c)可得：优化后，脱硫塔入口截面轴向速度分布变得更均匀，优化后烟道两侧不存在明显的速度梯度变化，截面速度偏差系数由40%减小到20%；优化后截面底部依然存在小范围的高速区，这是因为气流进入脱硫塔前经过一段斜坡烟道；但是，截面轴向速度保持在12～14 m/s，进入脱硫塔的气流变得均匀，有利于提高脱硫效率。

对比图3(d)和图5(d)可得：优化后，汇流后截面湍动能显著减小，在汇流处布置导流板与隔板可有效抑制气流扰动，消除高湍动能区域，截面湍动能最大值由40 m2/s2减小到6.5 m2/s2。

对比图3(e)和图5(e)可得：优化后，脱硫塔入口截面湍动能明显减小，最大值由25 m2/s2减小到3 m2/s2，气流流动更为稳定。