刘勇先 王正发 罗伟 周洪 马翔

（1、贵州省习水鼎泰煤电开发有限责任公司，贵州习水 5646112、西安热工研究院有限公司锅炉系统及环保事业部，陕西西安 710054）

1 研究背景及意义

为了提高火电厂的发电效率，减小环境污染，可以采用大容量、高参数机组，各种联合循环，优化系统运行与电厂管理等方法。随着火电厂节能减排工作的深入，针对火电厂的各个子系统进行经济性研究，对运行有缺陷或者能耗较高的系统环节进行优化改造成为目前的火电厂节能减排工作的研究重点。

提高电站锅炉烟风煤粉管道的设计水平、提高风机实际运行效率，对火电厂优化运行和节能减排具有非常重要的意义。

在运行过程中，两台机组空气预热器（下文简称：空预器）存在内部流场不均的情况，导致运行中存在空预器堵塞，阻力较大的情况。同时，还导致空预器内部磨损严重，机组运行的经济性和设备可靠性受到极大影响。因此，非常有必要通过建模计算，分析空预器进口烟道内流分布，采用加设内部导流板的方式来优化内部流场，降低系统阻力，优化设备运行。主要研究目的在于：

（1）建立空预器进口烟道及空预器三维模型，通过数值模拟软件进行内流计算。

（2）在数值计算的基础上，进行空预器进口烟道内部流场的实际分布测试。

（3）通过实际测试值与计算值的对比，分析内流混乱的原因，并根据空气动力学原理，设计新型导流板形式及布置位置。

（4）通过数值计算，对内流进行计算，验证优化效果，如效果不佳则进行调整设计，最终实现优化内流分布的效果。

2 空预器入口烟道流场分布数值模拟及试验研究

2.1 现有空预器入口布置情况

现有脱硝出口至空预器进口段烟道布置情况如图1 所示。如图所示，现有烟道设置有两个弯头，其中，90°弯头处设有3片导流板，另一个弯头处没有导流板。该种布置方式，烟气会在较短范围内连续折转，无法保证为空预器提供良好的进气条件。

图1 脱硝出口至空预器入口速度云分布图

2.2 计算模型的建立

2.2.1 边界条件

660MW 工况：进口边界条件为速度边界条件（根据工况烟气流量换算得来，并给定进口烟气密度）；出口边界条件为压力边界条件，壁面边界条件为无滑移壁面，对称中分面设置对称边界条件，动力粘性系数为2.00×10-5Pa·s。

计算域为1 号机组脱硝出口至空预器进口段烟道。

2.2.2 网格划分

对计算区域进行非结构网格划分，网格总数为200 万，对边界层区域进行加密。

2.2.3 数值计算烟道内部流场分布图

目前脱硝出口至空预器入口速度云分布图如图1 所示，对空预器入口截面示意图见图2，对空预器入口截面速度云分布图见图3。

图2 空预器入口截面速度云分布图

图3 两种优化思路对比

通过图1、2，可以看出现有空预器入口烟道内部烟气流动存在较为明显的流动分离现象；烟气主要集中在前墙侧，后墙侧烟气量较少。且空预器入口的烟气流动速度分布不均匀，在图2 的浅色区域的流动速度较高，更容易造成空预器内部换热元件的磨损；而蓝色区域的流动速度较慢，则容易在局部产生积灰及造成换热元件堵塞。

3 现场热态试验测试结果分析

为了印证数值计算结果的可靠性，在同一机组660MW 工况负荷下，对两侧空预器入口的烟气流速分布情况进行了测试，测试结果与CFD 数值计算的分布情况基本吻合。

由表1 中数据反映的情况，可以明显看出在满负荷工况运行时，空预器入口仍然存在较大的低速区域；而相对而言，部分区域的烟气流动速度已超过国家最低标准要求的15m/s。现有空预器入口烟道存在明显的速度不均现象。

表1 空预器实测入口速度分布统计表

4 优化思路及工程实施

根据空预器入口烟气流动分离现象明显的特点，对脱硝出口至空预器入口烟道提出了两类改造思路：

优化思路一：在第一个弯头处，将弯头内部回转半径由800mm 增加至3000mm，并在第二个弯头处，均匀布置4 片导流板，导流板详细尺寸详见图3。

优化思路二：在第一个弯头处，设置2 片导流板；在90°弯头处，均匀布置4 片导流板。

4.1 两种优化思路对比分析

为了更直观地对比空预器入口烟气进气条件优化前后的效果，图4 给出了脱硝出口至空预器进口段烟道优化前后的流线图。

（1）在原始烟道布置方案中，气流在两个弯头处均有明显的流动分离，流场速度均匀性差，流动损失大。

（2）相对于原始方案而言，优化思路一和优化思路二均在烟道合理设置了导流板，内部流场得到了明显改善，而且优化思路二烟道内部流场均匀性明显好于优化方案一。整体而言，优化思路一较原始方案烟道内部流场得到了改善，而优化思路二烟道内部的流场均匀性和流动分离的改善更为明显，是更优的优化思路。

图4 为原始方案、优化思路一和优化思路二空预器入口烟道内部速度流线分布图的对比情况。其中：

图4 脱硝出口至空预器进口段烟道速度矢量图

（1）原始方案内部流动分离现象最为明显，弯头处存在局部涡流区，流动均匀性较差。

（2）优化方案一在空预器入口90°弯头处均匀布置4 片导流板后，空预器入口流动均匀性得到有效的改善，但脱硝出口处仍存在明显的流动分离现象，优化效果有限。

（3）优化方案二在优化方案一的基础上，在脱硝反应器出口弯头处单独布置2 片导流板，使得整个脱硝出口烟道喉部流动均匀性得到有效的改善，空预器入口烟气流动均匀性得到进一步提升。

图5 为原始模型、优化思路一和优化思路二空预器入口烟道内部速度流线分布图的对比情况。

图5 空预器进口截面速度云图

4.2 空预器入口流速分布对比分析

均匀性较差，优化思路一改造后速度均匀性有所提升，而优化思路二改造后速度均匀性改善更为明显。

目前空预器存在内部流场不均的情况，导致运行中存在空预器出现了堵塞和磨损问题。因此，为了更好地分析空预器进口流场状况，本文通过截取空预器进口截面速度云图进行分析。空预器进口截面（即本次计算域出口截面）示意如图5 所示。

图5 给出了空预器进口截面原始模型和按两种优化思路改造后的计算出的速度云图。空预器进口截面，原始模型速度

4.3 最优思路烟道阻力分析

为了获得脱硝出口至空预器进口段烟道的烟道阻力，本报告通过提取计算域内相应截面的总压来计算烟道阻力，计算结果如表2 所示。

由表2 可知，在660MW 工况下，原始模型脱硝出口至空预器进口段烟道总压损失为220Pa，优化思路一该段烟道的总压损失为141Pa，而优化思路二该段烟道的总压损失为108Pa。由计算可知，优化思路一相对于原始方案的平均总压损失下降了79Pa，换算成百分比，下降了36%；优化思路二相对于原始方案的平均总压损失下降了112Pa，换算成百分比，下降了51%。

表2 A 侧空预器入口速度分布统计表

4.4 实测结果

电厂在引增风机合一改造前后均进行了试验测试，改造前满负荷工况下脱硝出口至空预器进口烟道整体阻力为355Pa，改造后脱硝出口至空预器烟气侧入口烟道阻力为215pa，烟道阻力下降40.0%。计算值与实测值偏差在工程应用允许的10%以内，烟道阻力下降明显。

对空预器入口的流场分布情况进行了实测，测试位置位于90°弯头下方2m 处，测试采用现场皮托管测量，测试负荷600MW。测试结果如表2 所示。

对比表2 与第3 节的表1，空预器入口的流场速度分布不均的情况得到了有效的改善；一方面，低速区域几乎消失；另一方面，流速过高的区域也几乎全部得到了改善。空预器积灰及磨损情况将得到有效的缓解。

4.5 节能效果分析

烟道经过改造后年节电量277477kW·h，年可节约费用9.18 万元，经济效益较为明显（见表3）。

表3 改造经济性分析

5 结论

在大型火力发电站进行深度节能的大背景下，本文探究了烟气系统局部优化后，对烟气流场分布将产生比较明显的效果，通过特定的优化方案可以改善烟道系统效应，从而改善空预器进气条件，从而改善空预器的积灰及磨损情况。结合某工程实例，得到如下结论：

5.1 对于脱硝反应器出口存在减缩型烟道的情况，可以结合现场实际情况，可以采取改大拐弯半径或者布置导流板的方式，调整反应器的速度分布，避免在下游烟道底部或其他区域产生积灰堆积或磨损现象。

5.2 对于空预器入口弯管，在内弯过后容易出现流动分离现象，在空预器入口位置产生涡旋，最终导致空预器入口流场分布不均，局部流速过低容易引起积灰，局部流速过高则加速换热元件磨损。可以通过在弯道内部布置导流板的方式，通过导流板均流后，再进入空预器，这样可以有效缓解空预器的堵塞和磨损，还可以降低局部的烟道阻力。

5.3 某660MW 电厂将脱硝出口至空预器入口烟道进行了优化改造，在脱硝出口喉部烟道及空预器入口弯头增加了导流板后，空预器入口烟气速度分布得到了有效改善，烟道总阻力下降了40%，内部流场均匀性得到了极大改善，经济效益明显。