马鹏飞 张选 贾瑞龙 王立新 尚庆 闫金山 闫溟 田俊武

(1.神华准格尔能源有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯 010399；2.中国航天空气动力技术研究院 北京100074)

0 引言

电厂烟道是电厂发电系统的重要组成部分，由于在设计与制造安装过程中主要采取横平竖直的设计思路及便于制造和安装的方法，因此不可避免地会产生大量的弯头与分支结构。同时由于电厂烟道为大型加工构件，为了避免在制造与安装过程中产生烟道变形，因此会在内部增加一定的内部支撑结构，从而导致烟气在烟道内部流动过程中产生大量的漩涡运动，而烟气在烟道弯头与分支结构部位也会产生漩涡运动，从而导致烟气在烟道内的流动复杂，产生大量的烟道冲刷和积灰现象，引起烟道系统异常振动和噪声及引风机运行过程中的喘振现象，也会引起烟道后部布袋除尘器进气流量不均，降低布袋除尘器的除尘效率，减少布袋除尘器内布袋的使用寿命[1]。研究烟道内烟气的流动问题，可以有效地找到由烟道弯段、分支结构部件及内部支撑件引起的问题，并为解决这些问题提供理论基础和技术支持[2-3]。通过后续改造，一方面可以减少烟道内烟气流动的沿程阻力损失，减小系统压损，减轻振动及磨损，降低烟道系统能耗；另一方面还可以提高引风机可靠运行的控制裕度，促进火电厂可靠运行，为电厂节能降耗改造及新建电厂烟道设计提供良好的应用借鉴[4-5]。

1 煤矸石发电厂二期2×330 MW机组及机组锅炉尾部烟道说明

神华准格尔能源有限责任公司煤矸石发电厂二期工程装机容量为2×330 MW的循环流化床机组，采用东锅1 177 t/h 亚临界循环流化床锅炉，3号机组于2011年11月18日并网发电，4号机组于2011年9月30日并网发电。该机组锅炉尾部烟道布置存在许多烟道弯段、分支结构部件及内部支撑件，导致尾部烟道系统阻力较大，布袋除尘器入口烟气存在不均衡现象，生产能耗指标较高。由于煤质差、负荷率低、设备检修费用投入少等原因，目前该电厂供电标准煤耗在368 g/(kW·h)左右，厂用电率10.6%左右，与国家指导的节能指标存在较大差距，节能工作任重道远。

神华准格尔能源有限责任公司煤矸石发电厂二期2×330 MW机组锅炉的尾部烟道(以下简称电厂烟道)前面连接布袋除尘器，后面连接了空气预热器，烟气从空气预热器底部分成两路流出，先向左右两侧方向流动，然后再向前方流动，经过一个90°的急转弯头后向上方流动，然后再经过一个90°的急转弯头后转向前方流动进入到布袋除尘器。烟气流经两路结构对称设计的烟道，进入两路布袋除尘器，在两路烟道之间设置有烟道联箱。图1为现场烟道实物布置。

图1 准能矸石电厂2×330 MW机组锅炉尾部烟道实物布置

2 电厂烟道数值模拟计算说明

本次数值模拟计算采用Ansys公司的Fluent 14.0进行，Fluent 14.0 软件不仅能提供定性结果，还可就流体的相互作用和平衡做出准确的定量预测。通过使用Fluent软件对烟道流场进行数值模拟，研究烟道内烟气流动过程中的压力场分布[6]。根据电厂烟道的二维图纸及现场实测数据，采用Catia几何建模软件，完成烟道几何外形的三维建模，保证与真实外形的完全一致，为后期的流场模拟仿真和优化设计提供数据输入[7]。基于前期生成的烟道三维几何外形，采用专业CFD软件计算前处理网格，软件Gridgen生成计算网格，计算网格选用六面体结构网格和多面体非结构网格相结合的混合网格形式，完成电厂烟道区域的建模与网格划分，并在局部重点区域进行加密网格，可以在保证对复杂外形的高度保形的前提下，实现计算过程的快速收敛和流场的精确预测[8]。

根据流体理论，烟道内的气流是三维湍流，本文采用应用较多的标准k-ε方程模型进行数值模拟，完成本次的烟道数值模拟计算仿真和均衡研究[9]。本次研究所运用的主要偏微分方程组为

与上式对应的标准k-ε模型的控制方程如表1所示。

表1 标准k-ε模型的控制方程

3 电厂烟道尺寸及烟气参数设定

烟道尺寸：烟道为轴对称排列设计，烟道入口2个，其中单个烟道入口尺寸为 5 500 mm×3 200 mm，烟道前部连接空气预热器，烟道中间联箱1个，尺寸为5 500 mm×10 965 mm，烟道出口2个，其中单个烟道出口尺寸为 5 600 mm×3 998 mm，尾部烟道出口后连接布袋除尘器(见图2)。

图3为电厂烟道的CFD数值计算仿真网格建模，网格总量大约在670万。其中图3(a)为烟道网格建模的整体网格，图3(b)为烟道网格建模的局部网格。

计算中，入口使用质量流量入口边界条件，出口使用压力出口边界条件，烟道壁面假设为绝热壁，与外界环境无热交换。

烟道内流动烟气参数：模拟所用的烟气量Q=234×104m3/h(工况)，计算入口流速u=18.46 m/s，流体为不可压缩流体，烟气温度T=145 ℃，密度ρ=0.8 kg/m3，动力粘度μ=2.3×105kg/(m·s)，烟气各成分(体积分数)：CO2(14.9%)、O2(2.66%)、H2O (9.45%)、N2(72.99%)。

图2 烟道布置(单位：mm)

(a)电厂烟道建模整体网格

(b)电厂烟道建模局部网格

4 电厂烟道数值计算结果与结果分析

经过对电厂烟道数值计算，得到电厂烟道内部流场压力分布，还对烟道阻力与两路烟气流量的分配均衡情况进行了分析。

4.1 数值模拟压力内部流场图

图4为电厂烟道总压平面图。从图4可以看出，在烟道弯段、分支结构部件及内部支撑件等部位总压损失较大，是烟道阻力主要集中的部位。图5为电厂烟道压力内部三维分布图。

从图4和图5可以看出，从灰斗上方进行竖直拐弯总压损失约10 Pa，然后水平拐弯到直角弯头之前总压又损失约200 Pa，而后经过直角弯头总压损失约100 Pa，后续爬升流至除尘器入口总压损失约300 Pa。 从以上数据中看出，后续爬升流至除尘器入口造成的压力损失最大，主要原因为这边存在2个90°的直角弯头。

图4 电厂烟道总压平面

图5 电厂烟道压力内部三维分布

4.2 电厂烟道内部气体流线及阻力损失分析

经过对电厂烟道内部数值模拟计算，图6给出了烟道内部气体流线。由图6气体流线，并结合图4与图5，可以得出：在直角弯头之前，由于水平拐弯导致烟道内侧流动出现了漩涡回流，因此这一段出现了较大的总压损失；而后在联箱附近，由于烟气经过了直角弯头又在联箱内相互碰撞并爬升，该区域内的流动相当复杂，流线混乱，出现很多流动漩涡结构，所以该段是总压损失最大的区域。在后续改造中，考虑如何把烟道的直角弯头给优化掉，尽量保持烟道的直线连接，考虑采用倾斜爬坡的烟道设计，是降低本段烟道阻力的重要设计方向。

图6 电厂烟道内部气体流线

电厂烟道主要阻力的产生及分析见表2。

4.3 两路烟气进口流量出现偏差后出口流量分析

为了考察电厂烟道内联箱对烟气流动的影响，针对空气预热器出来的不同流量的两路烟气进行了数值模拟研究。由于某些原因，造成两路烟气流量出现偏差，左侧烟气流量增加5%或10%，则右侧烟气流量相应地减少5%或10%，这种情况下出口流量的影响情况在图7中给出了具体数值。

由图7可以看到，在烟气进口流量给定偏差且稳定流入的条件下，烟气出口流量却出现了更大的偏差，且流量不稳定。

表2 电厂烟道主要阻力的产生及分析

图7 烟道进出口流量统计情况

5 结语

本文利用数值模拟方法对上述烟道建立了计算模型，从烟道形状参数、流体参数的角度出发，研究了该烟道内压力场的分布及烟气进出口流量的均衡性。以上研究为减小尾部烟道阻力、改善流场品质、增加尾部烟道流场均匀性、减少积灰、减少异常振动和噪声等问题奠定理论基础和提供后续改造的技术支持。通过后续改造，一方面可以减少烟道内烟气流动的沿程阻力损失，减小系统压损，减轻振动及磨损，降低烟道系统能耗；另一方面还可以提高引风机可靠运行的控制裕度，为电厂节能降耗改造及新建电厂烟道设计提供良好的应用借鉴。