200MW循环流化床机组尾部双烟道流场数值研究

摘要：针对某200MW循环流化床锅炉，采用数值模拟方法研究了不同过热器侧烟气挡板开度和不同烟气量下该锅炉尾部烟道区域烟气流动特性和空预器入口处烟气量分配特性。结果表明：烟气挡板的阻流作用会导致其背面形成低速回流区，烟气挡板开度减小和烟气量降低均会导致回流区增大；在所选工况范围内，过热器侧烟气挡板开度变化直接影响到双烟道内烟气量的分配，但对一、二次风空预器的烟气量分配影响较小，仅在2.5%范围内变化；炉膛出口烟气量越高，一、二次风空预器分配到的烟气量越接近50%。

关键词：循环流化床；尾部双烟道；过热器挡板；数值模拟

随着国家对燃煤电厂排放要求的提升，很多电厂都进行了超低排放改造，改造后机组往往偏离设计运行方式。对于采用尾部双烟道通过烟气挡板调节主再热气温的锅炉，运行工况发生偏离会导致其烟气流场发生变化，直接影响主再热蒸汽温度和炉膛内部负压的调节［13］，也会影响与其相连接的各设备运行的状态［4］。

赵子斌等［5］对1000MW机组尾部烟道几个重点区域进行了全流程流场研究，提出了优化及节能耦合技术方案，有效提升机组运行过程中的安全性和经济性。樊桦等［6］数值研究了不同烟气挡板开度下的流动特性，综合考虑阻流系数和流量调节特性，得到了适合的挡板开度范围。高志勇［7］和蒋华等［8］对锅炉尾部烟道进行了分段数值研究，并提出了改造优化方案，优化了烟道内烟气流动的均匀性，有效降低了烟道阻力，提升了机组运行的经济性。刘帅等［9］针对二次再热锅炉，数值研究了尾部三烟道的流量分配特性，得到了单一烟道内流量的调节范围。

本文针对某200MW循环流化床机组尾部竖直双烟道区域，基于CFD软件数值研究了不同烟气量和不同过热器挡板开度对烟道流动特性的影响，为该锅炉后续优化运行和技改提供理论依据。

1设备概况及计算方法

1.1设备概况

某电厂200MW机组锅炉为东方锅炉厂生产的超高压、自然循环、一次中间再热、平衡通风、固态排渣的循环流化床汽包蒸汽锅炉。该锅炉尾部采用双烟道设计方式，分别布置了过热器和再热器，在省煤器入口上方布置了烟气调节挡板，通过调节双烟道内烟气的流量来控制主、再热蒸汽温度。机组超低改造后，炉膛出口烟气温度降低，在日常运行过程中，为保证再热蒸汽的温度，过热器侧烟气挡板长期处于20%～30%的开度，再热器侧烟气挡板为全开状态，导致竖直双烟道烟气量产生较大偏差。

1.2数值计算方法

本文的研究对象为锅炉空预器前的尾部烟道区域，根据实际尺寸1∶1建立物理模型，如图1所示。基于计算流体力学软件，采用多面体非结构化网格对尾部烟道模型进行网格划分，在受热面区域，由于通流区域尺寸较小，对该区域的网格进行了局部加密。数值模拟过程采用三维模型稳态计算，将烟气视为不可压缩流体，采用Realizablekε双方程模型计算流场，采用增强壁面函数进行修正。烟气入口采用速度入口，出口为自由出流。

数值计算参数范围：烟气量332～746Nm3/h，过热器挡板开度30°～60°，再热器挡板为全开状态。锅炉配置管式空预器，省煤器出口处二次风侧占比53.67%，一次风侧占比46.33%。

2计算结果及分析

2.1速度分布

图2为烟气量为746Nm3/h时，不同过热器侧烟气挡板开度下尾部烟道内速度分布。

由图2可以看出，烟气流经受热面时，由于通流面积变小，流速明显升高。当过热器挡板开度从60%关小到30%时，再热器烟道烟气流速升高，过热器烟道烟气流速降低，表明烟气量向再热器烟道偏移。由图2还可以看出，当烟气流经烟气挡板时，由于挡板对烟气的阻流作用，使得挡板背面形成低速回流区，在烟道中心区域回流区域较大，且随着烟气挡板开度的z9TdSnv8GDgV6w7wUpo7TtFVxB9atdpI2uJBUxbIdpU=减小会导致低速回流区域变大，这个回流区导致进入省煤器的局部烟气流场发生紊乱，易造成该区域省煤器管道磨损，对机组运行产生安全隐患。再热器烟道流出的烟气受到回流区的影响，向过热器方向偏移。当烟气流经省煤器时已基本混合，一次风空预器入口处烟气局部流速高于二次风空预器入口处的烟气流速。

图3为过热器侧烟气挡板开度30°时，不同烟气量下尾部烟道速度分布。由图3可以看出，随着烟气量的降低，尾部烟道内烟气流速明显下降，当过热器烟气挡板开度不变时，烟气量变化对再热器烟道和过热器烟道速度分布影响不大，不同工况下再热器侧烟道内烟气流速明显高于过热器侧。由图3还可以看出，由于过热器侧烟气挡板阻流产生的低速回流区对省煤器区域烟气流场影响较大，随着烟气量的降低，烟气挡板下方低速回流区面积增大，但一次风空预器和二次风空预器入口速度偏差降低。

2.2空预器入口烟气量分布

图4为不同烟气量下过热器侧烟气挡板开度变化时，空预器入口烟气量分布。由图4可以看出，在中低烟气量工况下，随着过热器烟气挡板开度的提高，一次风空预器分配的烟气量先升高后降低，二次风空预器分配到的烟气量先降低后升高；在高烟气量工况下，烟气挡板开度越大，一次风空预器分配到的烟气量越高。但不同烟气量下，过热器侧烟气挡板开度变化对一、二次风空预器所分配到的烟气量的影响在2.5%波动，对实际运行时空预器换热性能影响不大。

图5为不同过热器挡板开度下烟气量变化时，空预器入口烟气量分布。由图5可知，当过热器挡板开度不变，烟气量提升时，一次风空预器烟气量降低，二次风空预器烟气量升高，烟气量越高，一次风空预器和二次风空预器所分配到的烟气量越接近50%。由图5还可以看出，挡板开度越小，烟气量变化对一、二次风空预器的烟气分配影响越大。但随着烟气量的变化，一次风空预器和二次风空预器分配到的烟气量比例在46%～54%之间，烟气量变化对空预器入口烟气量分配的影响高于过热器挡板开度变化的影响，但对实际运行中的空预器换热影响不大。机组负荷越低，一次风侧的烟气量越少，但在实际运行过程中，机组一次风率较设计值偏高，这就容易导致中低负荷时，空预器换热性能有所降低，排烟温度较设计值升高。

3结论

（1）过热器侧烟气挡板开度较小时，由于挡板对烟气的阻流作用，在烟气挡板背面区域形成一片低速回流区，易导致该区域的省煤器管子磨损加剧，并且烟气量越小，低速回流区越大。

（2）中低负荷烟气量下，一次风空预器分配到的烟气量随过热器侧烟气挡板开度增大而先增加后减少，高负荷烟气量下过热器挡板开度越大，一次风空预器分配到的烟气量越多。烟气量越大，一、二次风空预器分配到的烟气量越接近50%。

（3）在所选工况范围内，过热器侧烟气挡板开度变化对一、二次风空预器烟气量分配的影响在2.5%以内变化；炉膛出口烟气量变化时，一、二次风空预器所分配到的烟气量比例在46%～54%之间变化，这两个因素变化对空预器的换热能力影响不大。

参考文献：

［1］孙超.电站锅炉烟气挡板汽温调节特性研究模拟［D］.北京：华北电力大学，2011.

［2］王月明，牟春华，姚明宇，等.二次再热技术发展与应用现状［J］.热力发电，2017，46（08）：110+15.

［3］许威，张剑，范浩杰，等.基于响应面分析的660MW灵活二次再热锅炉汽温特性研究［J］.热能动力工程，2020，35（02）：110116.

［4］卢权，郝剑，李文韬，等.燃煤电站锅炉尾部烟道流场数值模拟分析及改造［J］.热能动力工程，2017，32（12）：6672+139140.

［5］赵子斌，陈城，李荣春，等.1000MW燃煤机组尾部烟道全流程流场优化［J］.发电设备，2023，37（02）：7581.

［6］樊桦，吴东垠.烟气挡板流动特性的数值模拟［J］.西安交通大学学报，2021，55（02）：9399.

［7］高志勇.600MW燃煤锅炉烟道流场优化改造研究［J］.中国高新科技，2023（17）：113115.

［8］蒋华，蒲万里，陈欣.燃煤电站锅炉尾部烟道阻力特性数值模拟和优化研究［J］.锅炉技术，2021，52（04）：1619.

［9］刘帅，丁浩植，张凯，等.二次再热锅炉尾部三烟道流量分配的数值模拟［J］.电站系统工程，2021，37（03）：79+12.

作者简介：衡晓峰（1975—），男，汉族，江苏徐州人，大专，工程师，研究方向为电站锅炉燃烧优化；黄志豪（1996—），男，汉族，河南信阳人，硕士研究生，助理工程师，研究方向为多相流动传热和计算流体力学；聂蓉旭（1974—），男，汉族，陕西咸阳人，本科，高级工程师，研究方向为火电厂节能减排；刘彬科（1971—），男，汉族，陕西咸阳人，大专，助理工程师，研究方向为锅炉设备管理与维护。