鍋爐低溫省煤器流場(chǎng)模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

曾國(guó)兵， 劉 聰， 黃志明

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051； 2.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江西 南昌 330032)

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視，火力發(fā)電機(jī)組都增設(shè)脫硝裝置，降低NOx排放以滿足煙氣污染物排放要求。由于增加了SCR脫硝設(shè)備，導(dǎo)致尾部煙道流場(chǎng)的改變，流速過(guò)低容易發(fā)生積灰，流速過(guò)高或流速偏角過(guò)大會(huì)加劇設(shè)備的磨損。本文以某廠鍋爐進(jìn)行脫硝改造后(SCR裝置布置在高溫空預(yù)器出口至低溫省煤器入口之間)，機(jī)組存在低溫省煤器磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)省煤器管道泄漏的問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，研究了煙道內(nèi)部流場(chǎng)及灰場(chǎng)的分布，找出導(dǎo)致流場(chǎng)與灰場(chǎng)分布不均的主要原因是SCR出口至低溫省煤器入口段煙道導(dǎo)流板設(shè)計(jì)不夠合理；并進(jìn)行了煙道內(nèi)導(dǎo)流板優(yōu)化布置。通過(guò)數(shù)值模擬，優(yōu)化后低溫省煤器入口截面煙氣流場(chǎng)分布較為理想，灰場(chǎng)亦有較為明顯的改善，能明顯緩解低溫省煤器的磨損。

1 原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及分析

1.1 原結(jié)構(gòu)幾何模型

為了掌握鍋爐原結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場(chǎng)及灰場(chǎng)分布情況，尋找導(dǎo)致低溫省煤器嚴(yán)重磨損的原因，首先根據(jù)高溫空預(yù)器出口至低溫省煤器入口的施工圖紙進(jìn)行1:1三維建模，考慮到模型內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)等對(duì)流場(chǎng)及灰場(chǎng)的影響較小，因此在不影響模型內(nèi)部流場(chǎng)及灰場(chǎng)分布準(zhǔn)確性的情況下，對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，最終建立的物理模型如圖1所示。

圖1 原結(jié)構(gòu)物理模型圖

圖2 原結(jié)構(gòu)模型整體網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

在進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分時(shí)，優(yōu)先使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)壁面處、導(dǎo)流板附近及速度梯度大的地方進(jìn)行加密處理，邊界層處第一層網(wǎng)格取10mm，垂直增長(zhǎng)速率為1.2，網(wǎng)格最大節(jié)點(diǎn)距離為200mm，最終網(wǎng)格數(shù)量約為244萬(wàn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

模型入口設(shè)置為均勻速度入口，速度值按實(shí)際運(yùn)行工況下的煙氣量進(jìn)行計(jì)算設(shè)置；出口設(shè)置為壓力出口，壓力值按實(shí)際運(yùn)行工況下的壓力值進(jìn)行設(shè)置；催化劑層作多孔介質(zhì)處理，阻力系數(shù)按照每層阻力為100Pa進(jìn)行計(jì)算[1]。計(jì)算使用的湍流模型選用Realizable k-e湍流模型，壁面處理選取為Enhanced Wall Treatment[2]，具體的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 數(shù)值模擬主要參數(shù)

1.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

輸入模型以及邊界條件之后，使用Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算的工作，模擬結(jié)果如以下各云圖所示。

首先對(duì)原結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部的縱剖截面流場(chǎng)及灰場(chǎng)云圖進(jìn)行分析，該截面位于SCR寬度方向中心位置，數(shù)值模擬得出的速度分布云圖如圖3所示、灰質(zhì)量濃度分布云圖如圖4所示。

圖3 原結(jié)構(gòu)縱剖截面煙氣速度分布云圖

圖4 原結(jié)構(gòu)縱剖截面灰質(zhì)量濃度分布云圖

由圖3可以看出，原結(jié)構(gòu)模型低溫省煤器入口處深度方向的煙氣流場(chǎng)分布明顯不均，主要表現(xiàn)為：第一塊導(dǎo)流板(從后墻至前墻，下同)和第三塊導(dǎo)流板出口處煙氣流速較高，且在第一塊導(dǎo)流板和第四塊導(dǎo)流板背弧處有較大的低速區(qū)。

由圖4可以看出，原結(jié)構(gòu)內(nèi)部灰場(chǎng)在深度方向上分布明顯不均勻，主要表現(xiàn)為：灰在SCR反應(yīng)器部分主要集中于后墻側(cè)；在SCR出口水平煙道，大量的灰沉積于底部；在低溫省煤器入口處，灰基本集中于煙道后墻側(cè)。

為了進(jìn)一步掌握原結(jié)構(gòu)低溫省煤器入口處的流場(chǎng)及灰場(chǎng)分布情況，對(duì)低溫省煤器入口橫截面的煙氣流場(chǎng)及灰場(chǎng)進(jìn)行了分析，該截面位于低溫省煤器入口上游約10cm處，其速度、灰質(zhì)量濃度分布云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 原結(jié)構(gòu)低溫省煤器入口截面煙氣速度分布

圖6 原結(jié)構(gòu)低溫省煤器入口截面灰質(zhì)量濃度分布

由圖5可以看出，原結(jié)構(gòu)模型低溫省煤器入口截面煙氣流場(chǎng)均勻性差，在深度方向上呈帶狀分布，存在較大的高速區(qū)和明顯的低速區(qū)。

由圖6可以看出，原結(jié)構(gòu)模型低溫省煤器入口截面的灰質(zhì)量濃度分布呈現(xiàn)為：在深度方向，靠近后墻側(cè)存在高濃度區(qū)；在寬度方向，靠近壁面處濃度高，中間濃度低。

根據(jù)原結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部的上述流場(chǎng)和灰場(chǎng)的分布云圖，分析可知，導(dǎo)致低溫省煤器磨損嚴(yán)重的主要原因?yàn)椋?1)低溫省煤器與煙道頂棚距離較近；(2)在SCR出口水平煙道，大量的灰沉積于底部，在拐至豎井煙道時(shí)，煙氣只能攜帶少量的細(xì)灰沖向前墻，而大量、大粒徑的灰受重力作用，無(wú)法揚(yáng)向前墻；(3)低溫省煤器入口導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致低溫省煤器入口截面高速區(qū)與高濃度區(qū)重合，造成低溫省煤器靠后墻側(cè)磨損嚴(yán)重。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬與分析

2.1 優(yōu)化方案

根據(jù)原結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，經(jīng)過(guò)大量的優(yōu)化方案模擬后，最終確定的優(yōu)化方案為：(1)將原結(jié)構(gòu)SCR出口拐角處導(dǎo)流板割除一半后接傾斜直板；(2)拆除原結(jié)構(gòu)SCR出口水平煙道處兩塊導(dǎo)流板，改成一塊上揚(yáng)的導(dǎo)流板；(3)拆除原結(jié)構(gòu)低溫省煤器入口處四塊弧形導(dǎo)流板，改成一排豎直導(dǎo)流板，并通過(guò)數(shù)值模擬尋找最佳的高度和間距，上述優(yōu)化方案的物理模型如圖7所示。

2.2 優(yōu)化后模擬結(jié)果分析

優(yōu)化后流場(chǎng)與灰場(chǎng)分布云圖的截面位置與原結(jié)構(gòu)相同。優(yōu)化后相關(guān)云圖如下所示。

圖8 優(yōu)化后縱剖截面流場(chǎng)分布云圖

圖9 優(yōu)化后縱剖截面灰質(zhì)量濃度場(chǎng)分布云圖

圖10 優(yōu)化后低溫省煤器入口截面流場(chǎng)分布云圖

圖11 優(yōu)化后低溫省煤器入口截面灰質(zhì)量濃度場(chǎng)分布云圖

對(duì)比優(yōu)化前后的縱剖截面與低溫省煤器入口截面的速度和灰濃度分布云圖，可以看出：低溫省煤器入口橫截面的流場(chǎng)在深度方向上有明顯的改善，原結(jié)構(gòu)明顯的高速區(qū)與低速區(qū)已經(jīng)消失，低溫省煤器入口截面的流場(chǎng)已非常均勻，且均在5m/s以下，低于省煤器的常規(guī)設(shè)計(jì)流速；沉積在SCR出口水平煙道的灰明顯向上、向前墻揚(yáng)，原結(jié)構(gòu)的高濃度區(qū)已明顯改善。

3 結(jié)論

根據(jù)原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，得出低溫省煤器磨損嚴(yán)重的主要原因，通過(guò)改造優(yōu)化并進(jìn)行了數(shù)值模擬。優(yōu)化后絕大部分區(qū)域灰質(zhì)量濃度小于30g/m3，高灰濃度區(qū)域更小、更分散，尤其是避免了原結(jié)構(gòu)中該截面高流速、高灰質(zhì)量濃度區(qū)的重合，優(yōu)化方案能明顯緩解低溫省煤器的磨損。優(yōu)化方案在模擬區(qū)段的流動(dòng)阻力較原結(jié)構(gòu)增大僅10Pa左右，對(duì)引風(fēng)機(jī)電耗影響很小。