除塵器前煙氣冷卻器煙道流場數(shù)值模擬研究

謝昌亞　李翔勇　朱龍飛　龐春鳳

摘 要 為解決某660 MW機(jī)組煙氣冷卻器換熱管束磨損嚴(yán)重的問題，基于FLUENT軟件，對該機(jī)組空氣預(yù)熱器至除塵器之間的煙氣冷卻器煙道流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并診斷分析了管束磨損嚴(yán)重的原因?；诜治鼋Y(jié)果提出了煙氣冷卻器入口煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，該方案能降低煙氣冷卻器入口煙氣流速、減小入口最大速度偏差系數(shù)，從而減輕磨損情況，使煙氣冷卻器換熱更加均勻。

關(guān)鍵詞 煙氣冷卻器 換熱管束 磨損 流場模擬 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號 TQ055.8+1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0192?06

通常電站鍋爐的排煙溫度為120～140 ℃，能量損失為3%～8%，排煙損失占鍋爐總熱損失的80%以上，因此，對排煙余熱進(jìn)行回收和利用可顯著提高鍋爐效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。在鍋爐尾部煙道除塵器前增加煙氣冷卻器，利用回?zé)嵯到y(tǒng)的低溫給水吸收鍋爐排煙余熱，可大幅降低排煙溫度、提高鍋爐效率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。李慧君等對330 MW機(jī)組雙級煙氣冷卻器系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，引入煙氣冷卻器后機(jī)組煤耗降低了2.69 g/（kW·h），效率由47.35%提高至48.16%，二氧化碳排放量每年可減少18 322.90 t［1］?？梢姡黾訜煔饫鋮s器能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。目前，許多電廠都已經(jīng)在尾部煙道增加了煙氣冷卻器，但是由于除塵器前安裝煙氣冷卻器的空間有限且設(shè)計經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致引入煙氣冷卻器后煙道結(jié)構(gòu)緊湊，尤其是煙道與煙氣冷卻器連接的擴(kuò)口比較陡峭，使得煙氣冷卻器入口部分區(qū)域流速過高。煙氣流速偏差增大，不僅會降低煙氣冷卻器的換熱效率，還會對煙氣冷卻器管路造成磨損、沖刷。

近年來，研究學(xué)者們對除塵器前的煙道流場進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。何林菊等對低溫電除塵器煙道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，確定了流量分配和流場的均勻性［2］。王為術(shù)等對除塵器區(qū)煙氣冷卻器煙道的流場均化和導(dǎo)流優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了流場不均對除塵器區(qū)煙氣冷卻器和除塵器工作性能的影響，并提出了有效的優(yōu)化方案［3］。苗世昌對除塵器區(qū)煙氣冷卻器煙道流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了速度分布不均對煙氣冷卻器和除塵器工作效果的影響［4］。劉明等對除塵器前煙道流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并提出3個優(yōu)化改造方案，使阻力大幅下降、磨損減輕，進(jìn)入除塵器的煙氣得以均勻分配［5］。龍雋雅對煙氣冷卻器前后煙道流場均勻性進(jìn)行了模擬研究［6］。張燕采用數(shù)值模擬方法對加裝煙氣冷卻器后的鍋爐尾部煙道進(jìn)行了研究，分析了煙道內(nèi)部流場對煙氣冷卻器的影響［7］。文獻(xiàn)［8～12］均對除塵器前煙道流場進(jìn)行了模擬研究，部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計改造。然而這些研究均將重點(diǎn)放在流場均勻性對除塵器工作效率的影響上，沒有涉及煙氣冷卻器磨損嚴(yán)重的問題。煙氣冷卻器磨損嚴(yán)重威脅整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行，會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，為此筆者針對某電廠2×660 MW煙氣冷卻器管束磨損嚴(yán)重的問題，基于FLUENT軟件對空預(yù)器至除塵器之間的煙氣冷卻器煙道進(jìn)行了流場數(shù)值模擬研究，診斷分析磨損嚴(yán)重的原因并提出優(yōu)化方案，為工程技術(shù)改造提供參考。

1 計算模型與數(shù)值方法

1.1 三維建模

某660 MW超臨界鍋爐機(jī)組的尾部設(shè)置有兩臺三分倉容克式空氣預(yù)熱器，每座鍋爐配置有兩臺雙室四電場電除塵器，每臺空氣預(yù)熱器和電除塵器之間布置有兩臺煙氣冷卻器。兩臺空氣預(yù)熱器至電除塵器之間的煙道和煙氣冷卻器布置為對稱結(jié)構(gòu)，以一側(cè)為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在兩臺煙氣冷卻器進(jìn)口變徑擴(kuò)口處各有兩塊導(dǎo)流板，位置如圖2所示。

通過對空氣預(yù)熱器與電除塵器之間的煙道和兩個煙氣冷卻器進(jìn)行簡化獲得相應(yīng)的模型，利用三維制圖軟件對煙道和煙氣冷卻器進(jìn)行三維建模，采用ICEM軟件塊拓?fù)溥M(jìn)行全局結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在煙道轉(zhuǎn)彎部分和煙氣冷卻器入口擴(kuò)口處進(jìn)行局部加密處理，逐漸細(xì)化網(wǎng)格得到網(wǎng)格無關(guān)解，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為100萬個。

1.2 計算方法

1.2.1 計算模型

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，該煙道內(nèi)為三維湍流流動。氣體湍流模擬是基于雷諾時均N?S方程，選用RNG k?ε雙方程湍流模型加以封閉。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 原煙道系統(tǒng)的速度分布特性

利用上述模型及邊界條件，計算原煙道的流場，得到原煙道系統(tǒng)速度矢量圖如圖3所示?？梢钥闯?，整個煙道流場比較混亂，在煙道轉(zhuǎn)彎處存在高速區(qū)和漩渦，兩煙氣冷卻器入口擴(kuò)口處煙氣速度較高。

每個煙氣冷卻器取4個特征截面，觀察兩煙氣冷卻器入口速度分布，分析診斷高速區(qū)產(chǎn)生的原因。

圖4是1#煙氣冷卻器特征截面速度分布圖?？梢钥闯?，煙氣進(jìn)入煙氣冷卻器后，由于流通截面增大，擴(kuò)口比較陡峭，煙氣流動方向由水平改變?yōu)檠財U(kuò)口煙道結(jié)構(gòu)斜向上方，并且由于慣性離心力的作用，在擴(kuò)口上壁面和導(dǎo)流板處產(chǎn)生壁面分離，煙塵富集在導(dǎo)流板和下斜板上，煙氣速度具有了向上的分量，導(dǎo)致擴(kuò)口處出現(xiàn)煙氣高速區(qū)。對應(yīng)于擴(kuò)口上壁面和兩塊導(dǎo)流板，1#煙氣冷卻器入口存在3個高速區(qū)域，速度最大達(dá)到18.0 m/s，平均速度為10.8 m/s。由于導(dǎo)流板緊靠煙氣冷卻器管屏，這部分?jǐn)y帶灰塵的高速煙氣將會直接沖刷換熱管束。圖5是1#煙氣冷卻器入口截面磨損位置圖，可以看出，模擬計算的煙氣高速區(qū)與實(shí)際磨損位置比較吻合。

2#煙氣冷卻器特征截面速度分布圖如圖6所示。與1#煙氣冷卻器相比，2#煙氣冷卻器擴(kuò)口更加陡峭，入口煙氣出現(xiàn)高速區(qū)，壁面分離現(xiàn)象更明顯。在擴(kuò)口上壁面和兩塊導(dǎo)流板后方出現(xiàn)煙氣高速區(qū)，入口煙氣速度最大值達(dá)到20.0 m/s，平均速度為11.6 m/s。

2.2 無導(dǎo)流板時的速度分布特性

由2.1節(jié)可知，導(dǎo)流板緊靠煙氣冷卻器管屏，導(dǎo)致壁面分離的高速煙氣直接沖刷換熱管束。將導(dǎo)流板拆除后，對煙道煙氣冷卻器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。圖7是無導(dǎo)流板時1#煙氣冷卻器特征截面速度分布圖，可以看出，入口速度分布較為均勻，入口最大速度為15.1 m/s，平均速度為9.3 m/s。

圖8是無導(dǎo)流板時2#煙氣冷卻器特征截面速度分布圖，可以看出，入口速度分布較為均勻，入口最大速度為15.0 m/s，平均速度為8.6 m/s。

2.3 增加擴(kuò)口長度后速度分布特性

為了獲得更均勻的入口流場和更低的入口速度，將煙氣冷卻器入口變徑擴(kuò)口長度增加2 m。圖9是將擴(kuò)口長度增加2 m后1#煙氣冷卻器特征截面速度分布圖?？梢钥闯觯瑪U(kuò)口長度增加后，壁面分離產(chǎn)生的高速煙氣的緩沖長度增加，到達(dá)煙氣冷卻器進(jìn)口時的速度得以降低，并且速度分布較均勻，入口最大速度12.8 m/s，平均速度9.2 m/s。

圖10是擴(kuò)口長度增加2 m之后，2#煙氣冷卻器特征截面速度分布圖。從圖10中可以看出，整體速度分布較均勻，最大速度為10.6 m/s，平均速度為7.3 m/s。

2.4 速度特性對比

表1給出了煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后1#和2#煙氣冷卻器的入口最大速度、入口平均速度和入口最大速度偏差系數(shù)?？梢钥闯?，在拆除導(dǎo)流板后，雖然入口最大速度大幅降低，但最大速度偏差系數(shù)變化不大，說明僅將導(dǎo)流板拆除能夠減輕磨損情況，但入口速度分布還是不均勻。

在拆除導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上將擴(kuò)口長度增加2 m后，不僅最大速度和平均速度有所降低，而且最大速度偏差系數(shù)也大幅降低，說明增加擴(kuò)口長度能夠有效防止管束磨損并使入口流場分布更加均勻。

3 結(jié)束語

筆者采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型和FLUENT求解器對空氣預(yù)熱器至電除塵器之間的煙氣冷卻器煙道進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果很好地解釋了該段煙道存在的問題：煙道與煙氣冷卻器連接的擴(kuò)口比較陡峭并且導(dǎo)流板緊靠兩煙氣冷卻器，在慣性離心力的作用下，部分煙氣流速增大、煙塵在導(dǎo)流板富集，導(dǎo)致攜帶高濃度煙塵的高速煙氣直接沖刷換熱管束，磨損比較嚴(yán)重。

為解決該問題，筆者提出將導(dǎo)流板拆除并且增加擴(kuò)口長度。將導(dǎo)流板拆除后，煙氣冷卻器進(jìn)口煙氣速度有所降低，但速度分布仍然不均勻，在此基礎(chǔ)上，將擴(kuò)口長度增加2 m，使入口煙氣最大流速由18.0、20.0 m/s分別降低至12.8、10.6 m/s，最大速度偏差系數(shù)由66%、72%分別降低至37%、43%，有效減輕了煙氣冷卻器換熱管束的磨損。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 李慧君，王妍飛，常澍平，等.330 MW機(jī)組雙級低溫省煤器系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析［J］.電力科學(xué)與工程，2015，31（6）：63-67.

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［3］ 王為術(shù)，路統(tǒng)，陳剛，等.電除塵區(qū)低溫省煤器煙道導(dǎo)流優(yōu)化的數(shù)值模擬［J］.華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，35（4）：57-60.

［4］ 苗世昌.除塵器區(qū)低溫省煤器煙道數(shù)值模擬［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，32（2）：65-68；76.

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［7］ 張燕.加裝低溫省煤器后鍋爐尾部90°彎道流場的數(shù)值模擬［J］.節(jié)能，2013，32（2）：34-37；3.

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（收稿日期：2022-04-25，修回日期：2023-03-14）

Numerical Simulation of the Flow Field of Flue Gas?Cooler Front Dust Collector

XIE Chang?ya， LI Xiang?yong， ZHU Long?fei， PANG Chun?feng

（North China Electric Power Research Institute Co.， Ltd.）

Abstract? ?For purpose of solving serious dust wear of the heat exchangers bundle of a 660 MW unit flue gas cooler， having FLUENT software based to simulate flow field between the air preheater and the dust collector was implemented， including the cause analysis of tube bundles serious dust wear and the propose of the optimal design of flue gas coolers inlet structure based on the analysis results. The simulation results show that， this scheme proposed can decrease flue gas coolers inlet velocity and max. velocity deviation coefficient， reduce the dust wear and uniformize the heat transfer.

Key words? ? flue gas cooler， heat exchanger tube bundle， wear， flow field simulation， structure optimization

作者簡介：謝昌亞（1992-），工程師，從事火電機(jī)組調(diào)試及故障診斷和調(diào)速系統(tǒng)建模等工作，1252295115@qq.com。

引用本文：謝昌亞，李翔勇，朱龍飛，等.除塵器前煙氣冷卻器煙道流場數(shù)值模擬研究［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：192-197.