任仰成

（山西鲁能河曲发电有限公司，山西 忻州 036500 ）

0 引言

随着环保标准的不断提高，大部分电厂进行了超低排放改造。许多电厂在新增设备时，因场地空间局限，烟道连接复杂，烟道设计不满足设计规程［1］。由此导致烟道内部烟气流场失衡，造成气流对冲、流动不对称，气流脉动等问题，最终造成烟道及设备的振动［2］。引风机安装在锅炉烟道除尘器和脱硫塔之间，将燃烧产生的烟气抽出后排入烟囱，其前后烟道的结构设计对两台并联风机的运行状态造成显著影响［3］。

某600 MW 机组引风机振动，气流产生异声问题，通过振动测试分析和引风机热态试验分析，采用CFD 软件对电除尘器到引风机段烟道、引风机到脱硫入口段烟道进行模拟，加装导流板，消除气流的扰动，降低烟道局部阻力。

1 机组情况

为响应国家环保政策，对某机组进行超净环保改造。改造后除尘器前增设烟冷器，原有布袋除尘器改造为电除尘器，并对其进出口烟道布置方式进行了改变，这使得引风机入口烟道结构发生变化，如图1 所示。

图1 引风机入口烟道改造前后布置方式

改造后自机组启动开始，引风机发生在高负荷情况下振动超标的现象，限制了机组带负荷的能力。为查明振动原因，对其引风机及烟道进行振动测试。测试结果表明：1）进口烟道频率表现为低频振动（9.16 Hz），该频率为烟道本体的固有频率；2）风机机壳及扩压筒附近测点频谱能量显示，能量尖峰多集中在叶片通过频率（273 Hz）的1 倍频和2 倍频上，这显示该振动明显和气流脉动或者气流激振有关；3）机壳上还存在转速基频（12.4 Hz）的能量尖峰，而B 侧烟道上能量则主要集聚在转速基频上，该现象是由于风机进、出口烟道布置不合理造成的。针对上述分析，需要对引风机入口烟道和出口烟道进行优化。

2 数值计算分析

2.1 引风机入口烟道计算分析

采用CFD 软件进行烟道流场分析。根据提供的图纸按照1∶1 比例建立几何模型，计算范围为电除尘出口到引风机入口，由于两侧除尘器出口烟道对称布置，本文仅对单侧进行分析。计算入口为电除尘出口烟道截面，采用Velocity-inlet，计算出口为引风机入口截面采用Pressure-outlet，烟道壁面、导流板等均采用壁面边界［4-5］。选取截面1 和截面2 进行分析，如图2 所示。

由图2 可以看出，烟道1、烟道2、烟道3 内烟气汇流后进入引风机，烟道1 内烟气流动受到烟道2内烟气的抑制，流动受阻形成涡流。3 个分烟道在竖直大烟道汇流，但烟气汇流段烟道内没有相应的流场优化结构，使得竖直烟道两侧的烟气发生强烈的相互干扰，汇流处两侧烟气流量不对称，烟气流动方向杂乱，互相冲撞、挤压，局部形成涡流。这不仅会使烟气流动阻力显著增大，且涡流的存在会造成烟道结构的低频振动以及流动过程中出现异音。烟气流场紊乱，气流脉动导致风机叶片受不均衡的气流冲击发生气流激振，造成风机振动。

图2 优化前引风机入口烟道流场分析

2.2 引风机出口烟道计算分析

采用CFD 软件进行烟气流场分析。根据提供的图纸按照1∶1 比例建立几何模型，计算范围为引风机出口到脱硫入口，计算入口为两台引风机出口烟道截面，采用Velocity-inlet，计算出口为脱硫入口烟道截面，采用Pressure-outlet，烟道壁面、导流板等均采用壁面边界。模型如图3 所示，选取截面1 和截面2 进行分析，如图4 所示。

烟道1 内气流自引风机出口经过折转—截面突扩到达水平汇流烟道，烟道2 内气流同样经过折转后到达水平汇流烟道，水平烟道连接脱硫入口烟道。从图4 可以看出，由于汇流处烟道结构不对称，两股烟气会发生强烈的相互干扰、冲撞、挤压，出现较大的涡流区，使实际通流面积远小于烟道截面积，烟气在流经这些位置的过程中速度重新分布引起的加速或减速以及介质烟气质点间剧烈碰撞的动量交换等引起能量损失，增加流动的不稳定性，影响引风机的正常运行。脱硫入口烟道截面比水平汇流烟道小，两股烟气在水平烟道内汇流后流向脱硫入口烟道时发生流动截面突缩和气流转向，造成折转处出现涡流［6-7］。

图3 引风机出口烟道模型

图4 优化前引风机出口烟道流场分析

3 烟道优化改造

3.1 引风机入口烟道流场优化

优化设计结合实际情况进行，针对引风机入口烟道存在的问题提出以下解决方案：在水平烟道内加装分隔板，使烟道1 和烟道2 内气流分隔开，避免气流间的相互压制；在三通烟道处添加分隔板，消除气流对冲产生的涡流和流动不稳定的问题；在烟道转向处加装导流板，缓解因折转段造成的烟气流场紊乱，烟道阻力大的问题。引风机入口烟道加装导流板示意如图5 所示。

图5 烟道内加装导流板示意

图6 为优化后引风机入口烟道流场，从图6 可以看出，优化后消除了烟道1 和烟道2 之间两股烟气的相互压制和汇流处烟气的相互冲撞，烟道内无涡流。本次优化可使引风机入口段烟道内烟气流动均匀，消除因流动过程中气流不均匀造成的异音和烟道低频振动问题，同时优化后，气流平稳的进入导叶，可减轻气流不稳定造成的脉动和激振。

图6 优化后引风机入口烟道流场

3.2 引风机出口烟道流场优化

针对引风机出口到脱硫入口段烟道布置及结构存在的问题，结合现场实际条件，进行优化设计：1）在流体运动方向发生变化处安装适当形状的导流板，避免在弯头的内外侧出现大范围的涡流区；2）烟道截面突扩的区域采用逐渐变径，平缓过渡的方式；3）在烟道内部添加隔断板，将烟道分为左右两部分，减小两侧引风机出口烟气之间的干扰，使两台并联运行的引风机运行环境相对隔离，解决原有方案中存在的问题。烟道内加装导流板示意如图7 所示。

图8 为优化后引风机出口烟道流场，从图8 可以看出，优化后烟道内流场分布均匀，折转弯头处添加导流板后减少了二次流的产生和对弯头后烟道内烟气流场的影响［8］。引风机出口烟道逐渐过渡优化后，缓解因烟道截面突扩和截面突缩引起的烟气流场紊乱。两台引风机出口烟道加装分隔板后，烟气平稳均匀过渡，避免因两台引风机出口的气流相互压制而造成的并联引风机振动问题。优化后脱硫塔入口截面速度分布较为均匀，有利于烟气在脱硫塔内均匀扩散，使得脱硫塔内烟气与浆液混合充分。

图7 烟道内加装导流板示意

图8 优化后引风机出口烟道流场

4 改造后运行情况

机组停炉期间安装导流板后投入运行，在各个负荷下，引风机运行稳定。对比相同负荷下（满负荷600 MW），引风机的振动值由5 mm／s 降低为2 mm／s。烟道异音由90 dB 以上降为50 dB 以下，尾部烟道整体阻力降低249 Pa。本次改造保证设备的正常运行，并降低了运行能耗。改造前后参数比较如表1 所示。

表1 改造前后参数比较

5 结语

采用CFD 计算流体力学软件对引风机出入口烟道流场进行模拟分析，找出了烟道内气流扰动问题的根源，消除引风机设备振动偏大等异常现象，同时降低尾部烟道阻力，降低运行能耗，保障机组的安全可靠运行。