高荣伟，周 斌，许明磊

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

基于数值模拟的除尘器入口烟道阻力特性研究

高荣伟，周 斌，许明磊

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

火力发电机组除尘器入口烟道的几何形状不仅影响除尘器入口气流的均匀性，同时也影响烟风系统的阻力大小。对空预器出口至电除尘器入口段烟道形状分别采用常规矩形烟道和圆形烟道2种设计方案。采用标准k-ε湍流模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法。同时，利用Fluent求解器对该段烟道的流场进行数值模拟计算，对上述2种工况的烟道阻力进行分析计算。计算结果表明：圆形烟道阻力只有矩形烟道的1/5，节能效果明显。

除尘器；入口；烟道；阻力特性；数值模拟

0 引言

当前烟尘污染问题是制约中国可持续发展战略实施的重大环境问题之一。火力发电厂等燃煤企业是中国最主要的烟尘排放源，也是烟尘污染治理的重点。而按照目前的排放控制水平，我国火力发电厂年排放的烟尘、二氧化硫和氮氧化物将分别达到500万t、2 100万t和1 000万t以上。如果火电厂排放的大气污染物得不到有效控制，我国将面临十分严峻的大气环境恶化问题，电力行业的可持续发展也将成为一纸空谈。提高火力发电厂能源利用水平、减少污染物排放对我国的节能减排工作意义重大。因此，火力发电厂各个系统与环节的优化节能是我国未来火力发电行业节能减排的突破点。

火力发电机组除尘器入口的烟道用于连接空气预热器与除尘器，并将烟气分配到除尘器各室，除尘器各室烟气分配的均匀程度对除尘器电耗和除尘效率影响明显[1]。该处烟道的阻力属于局部阻力，是锅炉设备烟风阻力的一个重要组成部分，选择合适的流道形状可以使除尘器入口烟气流速均匀及阻力减小，对于提高除尘器效率及节能降耗有着重要的作用。

各种结构通道的流场速度分布及阻力特性研究一直是国内外流体力学界研究的热门课题之一，随着计算流体力学及计算机技术的发展，借助数值计算的方法研究流场特性已成为一种切实有效的手段。国内学者对这段烟道存在的主要问题展开了改造优化研究[2-4]。国外学者对烟道流场阻力特性也进行了很多理论研究，如Kirk等对S形通道的流场速度分布及阻力特性进行了数值模拟及实验研究[5]。Yakinthos等使用Reynolds应力模型及涡粘两方程模型对90°矩形通道弯管流场速度分布特性进行了数值模拟研究[6]。Haque等采用k-ε两方程模型对火力发电厂的静电除尘器的流场进行了数值模拟研究[7]。然而，这些学者并未就大机组除尘器入口烟道形状对烟道阻力特性的影响展开深入研究。

为此，以下运用数值模拟方法对锅炉空预器出口至除尘器入口段的烟道分别采用传统矩形烟道和圆形烟道的情况下，进行三维建模，并计算分析比较2种烟道的阻力特性，以期为除尘器入口烟道的优化设计提供必要的理论指导。

1 计算模型及数值方法

1.1 烟道布置情况

某1 000 MW机组锅炉尾部设置2台三分仓容克式空气预热器，每炉配置2台三室五电场除尘器，2台空气预热器至电除尘器间烟道为对称结构，故CFD（计算流体动力学）模型只模拟单侧的烟道流动。图1与图2分别为该段烟道采用矩形和圆形时的平面布置图。

图1 矩形烟道的平面布置

图2 圆形烟道的平面布置

1.2 计算模型

该段烟道内的流动为三维湍流问题，需借助适当湍流模型，此处采用应用较广泛的标准k-ε模型。

式中：ρ为流体密度；t为时间；xi为i方向的位移；Fi为微单元流体所受的i方向的力；p为微单元流体的压强；μ为流体运动粘度；xi，xj，xk分别为i，j，k方向的位移；ui，uj，uk分别为i，j， k方向的速度分量；分别为i，j方向的平均速度分量。

G为湍流生成项，其关系式为：

上述各个方程的系数值如下：Cε1=1.44，Cε2= 1.92，σk=1.0，σε=1.3。对于壁面附近的区域，采用标准壁面函数法修正。

1.3 边界条件

入口边界条件为来流速度充分发展且分布均匀，按烟气量折算速度取14 m/s，温度取130℃；将压力出口定为出口边界条件，取大气压力；烟道壁面视为绝热壁面。

1.4 网格划分

为了适应几何结构特点，使用商业软件Gambit采用四面体和六面体网格对上述2个三维模型进行网格划分。对于一些结构复杂、难以用常规六面体进行网格划分的区域，一律选择Tet/Hybrid类型，并利用TGrid划分网格。矩形烟道模型和圆形烟道模型网格划分分别如图3、图4所示。矩形烟道模型网格计算单元数量约为12万，而圆形烟道模型网格计算单元数量约为15万。

图3 矩形烟道网格划分

图4 圆形烟道网格划分

2 阻力分布特性

2.1 矩形烟道

将上述2个三维网格模型导入商业软件Fluent，并进行相应的边界条件设置，其中入口边界条件是速度入口，出口是压力出口。边界条件设置后，进行迭代计算。

图5为矩形截面烟道在BMCR（锅炉最大出力工况）工况下其系统总压分布的数值模拟结果：系统的压降为进口总压与出口截面总压的差值，分析可以得到右边矩形截面烟道系统压降为670.359 Pa，中间矩形截面烟道系统压降为657.584 Pa，左边矩形截面烟道系统压降为633.282 Pa。

图5 矩形烟道系统总压分布情况

2.2 圆形烟道

图6给出了圆形截面烟道在BMCR工况下其系统总压分布的数值模拟结果。将进口总压与3个出口总压比较，可以得到大弯扭圆形截面烟道系统压降为139.179 Pa，中弯扭圆形截面烟道系统压降为131.904 Pa，小弯扭圆形截面烟道系统压降为138.920 Pa。

图6 圆形烟道系统总压分布

从上述分析计算可以看出，常规矩形烟道的3个出口截面的压降分别为670.359 Pa，657.584 Pa和633.282Pa；而优化后圆形烟道的3个出口截面的压降分别为 138.920 Pa，131.904 Pa和139.179 Pa。因此，采用优化后的圆形截面烟道，其整体压降大约只有常规矩形截面烟道整体压降的1/5，这样引风机电耗更少，更节能。

3 结论

采用标准k-ε模型，利用Fluent求解器对1 000 MW电站锅炉中空预器出口至电除尘器入口段的烟道结构布置进行了数值模拟研究。研究中对烟道的结构分别采用了常规矩形烟道和圆形烟道2种设计方案。

CFD仿真结果表明，对于常规矩形截面烟道，其 3个分支烟道的总压损分别为 670.359 Pa，657.584 Pa和633.282 Pa；而对于优化后的圆形截面烟道，其3个分支烟道的总压损分别为138.920 Pa，131.904 Pa和139.179 Pa。因此，优化后的圆形截面烟道比常规矩形截面烟道的压损更小，即内部阻力更小，更节能。因此，对于电除尘器前的烟道，推荐使用圆形烟道。

此外，烟道的几何结构形状对烟道内气流速度的分布影响较大，而气流均布性影响着电除尘器的除尘效率。下一步的工作将利用数值模拟技术研究不同结构形状的烟道对气流速度分布的影响。

[1]仇中柱，潘卫国，李芃，等.数值模拟与模化在电除尘器改造中的应用[J].华东电力，2010，38（6）∶927-930.

[2]陶克轩，常毅君，张波，等.电厂除尘器入口烟道数值模拟及改造[J].热力发电，2011，40（1）∶52-54.

[3]刘明，孟桂祥，严俊杰，等.火电厂除尘器前烟道流场性能诊断与优化[J].中国电机工程学报，2013，33（11）∶1-6.

[4]李庆，杨振亚，甘罕，等.静电除尘器烟道进口处流场的数值模拟[J].环境污染与防治，2012，34（1）∶1-4.

[5]KIRK AM，GARGOLOFF JI，REDINIOTIS OK，et al.Numerical and experimental investigation of a serpentine inlet duct[J].International Journal of Computational Fluid Dynamics，2009，23（3）∶245-58.

[6]YAKINTHOS K，LAHOSTERGIOS Z，OULAS A.Modeling the flow in a 90°rectangular duct using one Reynoldsstress and two eddy-viscosity models[J].International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29（1）∶35-47.

[7]HAQUE SME，RASUL MG，DEEV AV，et al.Flow simula tion in an electrostatic precipitator of a thermal power plant [J].Applied Thermal Engineering，2009，9（10）∶2037-2042.

（本文编辑：陆 莹）

Investigation on Characteristics of Precipitator Inlet Flue Duct Resistance Based on Numerical Simulation

GAO Rongwei，ZHOU Bin，XU Minglei
（Zhejiang Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

Geometric shape of precipitator inlet flue duct in thermal power generating units not only affects the uniformity of precipitator inlet air flow but also the resistance of the flue duct gas system.This paper uses two design schemes for the geometrical shape of flue duct from air preheater outlet to electrostatic precipitator inlet∶one is conventional rectangular flue duct and the other is circular flue duct.Standard k-ε model is adopted，and SIMPLE algorithm is used for pressure-velocity coupling.Meanwhile，Fluent software is used for numerical simulate and calculation of flow filed of the flue duct.Additionally，the resistances of the flue duct in the above two conditions are analyzed and calculated.The calculation result reveals that the resistance of the circular flue duct is only one fifth of that of rectangular flue duct，and effect of energy saving is obvious.

precipitator；inlet；flue duct；resistance characteristic；numerical simulation

TM621.7+3

：B

：1007-1881（2016）05-0024-04

2016-02-29

高荣伟（1969），男，高级工程师，从事发电设计及经营管理工作。