600 MW机组引风机及其进出口烟道流场研究

2023-02-03李延伟胡善苗马达夫

发电设备 2023年1期

李延伟，胡善苗，马达夫

(1. 国家电力投资集团河南电力有限公司沁阳发电分公司，河南焦作454150；2.东南大学能源与环境学院，南京 210096；3. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

近年来，随着国家各类节能环保政策的相继出台，煤电机组大力开展了脱硫脱硝工作。因此，对引风机及其进出口烟道进行降阻尤为重要。同时，深入了解引风机与其进出口烟道流场间的相互影响，对提高引风机性能、降低系统阻力、节约厂用电等具有重要的意义[1-2]。

目前，关于引风机及其进出口烟道流场与性能耦合的研究较少，并且多为单一方面的研究。已有的研究大都仅考虑引风机本体，风机边界条件假设为风机进口速度或质量流量均匀，未考虑实际运行过程中引风机进出口烟道对风机边界条件的影响；大多研究仅考虑进出口烟道区域，忽略风机内部流场特征及其对整个烟道流场的影响[3-5]。对于引风机进出口烟道，其几何特征不仅会影响锅炉风烟系统的阻力，而且会影响引风机的运行状态。同时，引风机进出口烟道流场分布不均会影响引风机的稳定运行，严重时会造成引风机异常振动，进而对机组运行的可靠性和安全性产生不良影响[6-7]。

将引风机放入整个烟道系统中，对引风机及其进出口烟道的整体进行全三维数值模拟计算，研究引风机性能和烟道流场的变化，以使其更符合实际工程应用情况。同时，以此为基础可挖掘进出口烟道外部几何特征与烟道流场和引风机性能之间的联系，了解烟道流场紊乱的原因，具有实际指导意义与工程应用价值。

笔者利用计算流体力学(CFD)技术对双级动叶可调轴流风机及其进出口烟道的流场与性能进行数值模拟研究，为引风机及其进出口烟道流场优化的数值模拟提供更加准确可靠的理论依据，进而为轴流引风机的优化设计提供改进方向。

1 设备概况

某电厂600 MW机组配备2台引风机，引风机采用双级动叶可调轴流风机。引风机设计参数见表1(TB工况为风机最大工况，BMCR工况为锅炉最大连续蒸发量工况)，电动机额定功率为5 200 kW。

表1 引风机设计参数

模型自除尘器出口至脱硫塔进口，包含引风机和烟道系统，将其称为全烟道系统。因为单台机组两侧除尘器出口至脱硫塔进口的烟道布置完全对称，所以仅选取一侧烟道进行建模计算。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用三维扫描仪对引风机叶片的外形等进行数据采集，利用三维建模软件建立引风机三维整机全流道模型，烟道通流部分的几何特征根据施工图纸按照1∶1进行建模[8-9]。引风机模型和全烟道系统模型见图1。在满足工程要求的前提下，为便于建模与模拟，对全烟道系统进行如下假设：(1)将烟气视为不可压缩牛顿流体，定常流动；(2)假设除尘器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的影响[10-11]。

图1 引风机模型和全烟道系统模型

采用六面体结构化网格划分引风机进出口烟道，根据引风机的结构特征，将其分为进气区、动叶轮区、导叶轮区和扩压区等区域[12-13]。考虑到叶片的结构复杂性，首先对动叶轮区、导叶轮区进行单流道网格划分，然后将得到的单流道模型网格绕中心轴旋转复制生成全流道结构网格。进出口烟道与引风机之间通过Interface面进行信息的交换传输[14]。对于烟道壁面等速度梯度较大的区域采用网格加密处理，首层网格高度为5 mm，网格增长率为1.2，模型最大网格尺寸为500 mm。将风机全压、效率和烟道压力损失作为特征参数，进行网格无关性验证，最终确定网格数量为1 600万(见图2)。

图2 全烟道系统网格图

2.2 边界条件

将除尘器出口、脱硫塔进口分别作为模型进口、出口，同时将边界条件设置为均匀速度进口、压力出口；风机内部旋转区和静止区之间采用多参考系模型进行耦合计算，不同区域之间通过Interface面进行连接。选择RNGk-ε湍流模型，采用标准壁面函数，应用SIMPLE算法求解压力-速度的耦合方程，方程源项中的压为项采用PRESTO！差分格式，对流项、扩散项及湍流黏性系数均采用一阶迎风格式离散[15-16]。当残差小于10-4，并且流场中监测点参数波动小于3%时，认定计算收敛。

3 模拟验证

需要对数值模拟得到的计算结果进行准确性验证，根据电厂提供的设计参数，对引风机动叶叶顶安装角为32.0°时的性能参数进行模拟验证。图3为引风机运行特性曲线。

图3 引风机运行特性曲线

由图3可得：数值模拟得到的曲线与厂家提供的曲线的变化趋势基本一致，并且两者较为吻合。但是，在模拟中，建立模型与选择数值计算方法时均进行了一定程度的简化，因此数值模拟计算结果和实验结果之间存在一定偏差。在BMCR工况下，数值模拟计算得到的风机全压为7 620 Pa，效率为85%，而实验中风机全压为7 350 Pa，效率为88.8%，风机全压和效率的模拟值与实验值的平均相对误差分别为3.6%与4.3%，误差较小。因此，认为模拟结果能较准确地反映引风机的实际运行性能，可采用该数值计算方法对引风机运行特性及内部流场特征进行分析研究。

4 结果分析

4.1 引风机运行特性与内部流场特征分析

图4为数值模拟得到的引风机运行特性曲线。由图4可得：全烟道系统与引风机本体的风机运行特性曲线的趋势一致。在一定的动叶叶顶安装角下，全压随体积流量的增大而减小，效率随体积流量的增大先增大后减小；对比全烟道系统与引风机本体的风机运行特性曲线，全烟道系统在小流量工况下风机的全压与效率均有所降低，而全烟道系统在大流量工况下风机的全压与效率几乎重合。这说明引风机进出口烟道对于小流量工况下的风机性能具有一定的影响。

图4 引风机运行特性曲线对比

为研究引风机本体及全烟道系统的流场特征，选取引风机部分截面进行分析[17-18]，各特征截面位置见图5，表2为各特征截面的轴向速度不均匀系数。

图5 引风机本体及全烟道系统的特征截面位置

表2 各特征截面轴向速度不均匀系数

图6为BMCR工况下集流器中间截面的轴向速度分布云图。由图6可得：对于引风机本体与全烟道系统，集流器中间截面的轴向速度分布呈上下相反趋势。对于引风机本体，气流经进气箱90°折角弯头后，受到一定的惯性作用，在下侧有所积聚，因此轴向速度较高。对于全烟道系统，集流器中间截面轴向速度在上、下两侧分布不均匀，上侧近机壳的大部分区域轴向速度较高，这主要是因为气流受到引风机进口烟道紊乱流场分布与叶轮旋转作用的双重影响，流场产生相互干涉。轴向速度不均匀系数从引风机本体的4.53%增加至全烟道系统的5.92%，轴向速度分布均匀性降低。

图6 集流器中间截面的轴向速度分布云图

图7为BMCR工况下引风机出口截面的轴向速度分布云图。由图7可得：与引风机本体相比，全烟道系统的引风机出口截面的轴向速度分布更不均匀，轴向速度不均匀系数从引风机本体的56.76%增加至全烟道系统的76.28%。全烟道系统沿周向近机壳区域存在大面积的低速涡流区，气流充满度不高，主要集中在旋转轴附近；同时，气流先经过动叶轮旋转加速，虽然后续经过导叶轮的整流作用，但是仍存在较大速度梯度，使得扩压器区域的气流沿轴心有所偏转，在A侧存在部分高速区。综上可知，引风机内部流场特征受引风机进出口烟道流场分布的影响，在对引风机内部流场特征进行分析时，应充分考虑引风机及其进出口烟道流场的干涉作用。

图7 引风机出口截面的轴向速度分布云图

4.2 进出口烟道流场分析

通过模拟BMCR工况下的无引风机进出口烟道和全烟道系统的流场，分析引风机内部流动特征与进出口烟道流场间的干涉。图8、图9分别为无引风机进口、出口烟道流线，图10为全烟道系统流线。

图8 无引风机进口烟道流线图

图9 无引风机出口烟道流线

图10 全烟道系统流线

对比图8与图10可得：在不考虑引风机的情况下，引风机进口烟道除尘器出口两侧气流对流汇冲，在水平烟道形成大范围的旋涡区，流场较为紊乱，导致进出竖直烟道的气流相互缠绕，靠近后墙侧的气流充满度较低(见图8中圆圈部分)；对于全烟道系统，引风机进口烟道经对流汇冲后的流场依然较为紊乱，但是水平烟道的旋涡区明显减小，竖直烟道的气流充满度得到提高。因此，在无引风机进口烟道流场模拟中，不考虑后续引风机的模拟结果比实际流场分布情况更差，烟道与引风机串联后，进口烟道的流场得到一定程度的改善。

对比图9与图10可得：在不考虑引风机的情况下，假设引风机出口气流分布均匀，引风机出口烟道气流充满度较高，流线较为平滑流畅；而对于全烟道系统，气流经引风机动叶轮的旋转加速作用到扩压器出口，流场的不均匀性得到进一步发展，经90°折角弯头后气流主要集中在A侧烟道，B侧烟道存在部分空区，出口烟道气流充满度低，形成大面积低速旋涡区(见图10中圆圈部分)。因此，在实际运行中，引风机内部流场对出口烟道具有较大的影响，在对引风机出口烟道流场进行优化改造时，应充分考虑引风机出口速度的分布情况。

为研究进出口烟道的流场特性，选取进出口烟道内部分截面进行分析[19-20]，各特征截面位置见图11。

图11 特征截面位置

图12为进气箱进口截面的轴向速度分布云图。由图12可得：无引风机进口烟道数值模拟时，进气箱进口截面的轴向速度分布不均匀，轴向速度不均匀系数为29.68%，在后墙侧轴向速度相对较小，这主要是因为竖直烟道后墙侧气流的充满度不高；对于全烟道系统，进气箱进口截面A、B侧的轴向速度呈对称分布，从后墙侧到前墙侧呈梯度减小。气流经进气箱进入水平集流器时，由于惯性作用，在后墙侧中间形成局部高速区；最高轴向速度达到50 m/s，轴向速度不均匀系数为19.21%，速度分布均匀性有所提高。全烟道系统的引风机内部流场特征对引风机进口烟道的流场具有一定的改善作用，在引风机进口烟道流场进行优化改造时，忽略引风机的影响会使计算结果与实际情况存在一定偏差。

图12 进气箱进口截面的轴向速度分布云图

图13为出口烟道截面轴向速度分布云图。由图13可得：出口烟道截面轴向速度分布极不均匀，在烟道壁面附近存在大面积的空区，气流充满度较低。对于无引风机烟道，气流在烟道中部分布得较为均匀，但是在烟道四角存在空区。对于全烟道系统烟道，气流主要集中在烟道中间近A侧区域，B侧空区范围扩大，并且在靠近烟道下侧存在局部高速区，一方面是受引风机出口速度分布的影响，另一方面是因为出口烟道中气流从水平烟道流经90°折角弯头进入竖直烟道爬升时，惯性作用造成主流烟气与上壁面分离，气流主要分布在烟道下侧。引风机出口轴向速度分布不均匀，会使不均匀气流向烟道下游继续发展，进而扰乱引风机出口烟道的流场。