350MW机组引风机进出口烟道流场优化研究

宋杰 1 胡运冲 2 庞龙 3 范景阳 4

内蒙古京能康巴什热电有限公司 内蒙古鄂尔多斯市 017010

摘要：在国家“节能减排”的号召下，大型电站机组烟道流场优化改造得到了高度重视。为解决电厂350MW机组引风机振动严重、烟道流场紊乱、管道阻力大的问题，利用CFD数值模拟技术，对引风机进口烟道流场进行数值模拟，通过增设导流板、增设隔板、设置斜角进行优化改造，利用烟道的流线、速度、湍动能分布等对烟道流场进行分析与评价，并通过试验验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明：优化后该段烟道流场中局部高速区、涡流区显著减少，湍流动能大幅度减小，流场均匀性得到有效改善；该段烟道整体阻力降低182Pa，优化效果显著。

关键词：引风机进口烟道；数值模拟；速度分布；湍动能分布

设计优化水平不单决定了锅炉烟气系统的阻力大小，影响机组的经济运行，并且与相关设备的运行状态息息相关，影响机组运行的安全性。其中，进口烟道的结构设计一定程度上会影响引风机内部流场特性，进而影响引风机的运行状态。因此，对引风机进口烟道流场进行数值模拟研究，保证流场分布均匀对解决机组振动、减少烟道阻力、保证机组经济安全运行具有重大意义。本文从烟道设计的角度出发，以内蒙古某电厂350MW机组为研究对象，利用CFD数值模拟技术，对引风机进口烟道流场进行数值模拟，提出烟道优化改造方案，并通过烟道的流线、速度、湍动能分布等对优化后的烟道流场进行分析与评价，为烟道流场优化改造提供合理的设计方案与理论依据。

1 设备概况

电厂350MW机组，配备2台引风机，引风机采用变速、双吸双支承离心式。引风机进口段烟道即自除尘器净烟气室进口截面至引风机进口集流器出口截面，含净烟气室进口提升阀、净烟气室、烟道内导流装置、引风机进口隔离风门、引风机进口调节风门、引风机进口风箱、引风机进口集流器以及相关烟道。机组在实际运行过中，存在引风机轴承箱振动剧烈，进口烟道晃动大的问题，威胁着机组的安全运行。

2 数值模拟

2.1 模型建立

本文CFD模型利用三维建模软件，根据现场施工图纸按1:1比例进行建模。模型自除尘器净烟气室进口截面至引风机进口集流器出口截面。因机组该段烟道两侧对称布置，故本文仅针对机组单侧烟道进行建模，最终的模型如图1所示。在满足工程要求的前提下，为便于建模与模拟，对该段烟道作如下假设：

1. 1. 将烟气视为不可压缩牛顿流体，定常流动；

   2. 假设除尘器净烟气室进口截面烟气速度分布均匀；

   3. 忽略烟道中支撑杆等对流场影响较小的内部构造；

   4. 导流板的厚度相对烟道尺寸较小，模拟时忽略其厚度影响。

采用六面体结构化网格对烟道计算区域进行网格划分，对近壁面网格作加密处理，第一层网格厚度为5 mm，法向增长率为1.5，以适应边界层处速度的变化。将烟道阻力作为特征参数，进行网格无关性验证，最终网格数量为364万，如图2 所示。

图1 原结构模型图 图2 原结构网格图

2.2 边界条件

采用标准k-ε方程模拟烟气的湍流流动。入口边界条件设置为均匀速度入口，速度值按100% BMCR 工况下的设计烟气量进行计算；出口边界条件设置为大气压力出口；壁面、导流板、隔板均设置为标准无滑移壁面。采用SIMPLEC算法模拟速度场与压力场的耦合，迭代过程采用低松弛迭代的变松弛因子法。

3 数值模拟结果分析

3.1 原结构流场数值模拟结果分析

通过模拟100%BMCR工况下的引风机进口烟道流场，分析流场分布不合理的原因。原结构流场数值模拟结果如图3~图7所示。

（a）三维流线俯视图 （b）三维流线图A1侧 （c）三维流线图A2侧

图3 原结构流线分布示意图

分析图3可知，原结构烟道内流线紊乱，形成大面积涡流高速区，主要集中在图3中红色圆框标注出的区域。高速涡流区的产生是由于烟道结构设计不合理造成的，除尘器净烟气室后A1、A2侧水平烟道内两侧流体直接对冲汇流、扭转进入竖直烟道，导致汇流处出现大面积涡流、竖直烟道上部气流紊乱。涡流的存在导致引风机进口烟道流场分布不均匀，影响引风机的运行状态，同时增加烟道流动阻力。

为了进一步分析引风机进口段烟道内部流场的分布情况，本文分别截取特征截面及引风机入口截面的烟气流场进行分析，特征截面及引风机入口截面位置如图4所示，特征截面及引风机入口截面速度分布云图如图5、图6所示，特征截面湍动能分布云图如图7所示。

（a）特征截面1速度分布云图 （b）特征截面2速度分布云图 （c）特征截面3速度分布云图

图4 特征截面位置分布图 图5 原结构特征截面速度分布云图 图6原结构引风机入口截面速度分布云图

分析图5可见，特征截面速度分布不均匀，除尘器净烟气室后水平烟道汇流处两股烟气对冲造成严重漩涡并延伸至竖直通道，存在大面积高速区；通过图5（b）可知其截面最大速度与最小速度之差达25m/s左右，截面速度均匀性较差；汇流后烟气流速较高且分布不均匀会导致烟道振动、引风机工作效率下降，影响机组运行的安全性。

由图6可见，引风机入口截面两侧速度分布不均匀，截面速度从A2侧到A1侧递增，在A1侧靠近前墙区域存在局部高速区。引风机入口截面速度分布不均匀会影响风机内部流场的均匀性与稳定性，影响风机的运行特性。

（a）特征截面1湍动能分布云图（b）特征截面2湍动能分布云图（c）特征截面3湍动能分布云图

图7 原结构特征截面湍动能分布云图

湍动能可以用来衡量烟道内部气流的稳定性，湍流动能越大，说明气流越不稳定，能量损耗越大。图7为特征截面的湍动能分布云图：原结构模型在水平烟道汇流处及竖直烟道上部存在强烈的湍流动能，特征截面1的最大值达60 m²s^-2左右，特征截面2、3的最大值均超过了80m²s^-2，这是由于两侧流体对冲汇流形成了较大的涡流区域造成的。

3.2 优化方案流场数值模拟结果分析

针对原结构模型流场存在的问题，通过增设导流板、增设隔板、设置斜角等方式对原结构烟道进行优化设计^[12-15]。具体设计方案如下：

（1）在考虑不影响单风机运行的条件下，除尘器净烟气室后水平烟道90°弯头对流汇冲处设置新增一组导流板（新增导流板2），以解决两侧气流直接对冲汇流而形成高速涡流区的问题；

（2）烟气经水平烟道对流汇冲后进入竖直烟道，将竖直烟道上部与水平烟道的直角连接改为斜角连接，以改善竖直烟道上部气流分布的均匀性；

（3）引风机进口竖直烟道上部增设一块长2200mm的隔板，以防止气流在竖直烟道上部缠绕、旋转。

优化后引风机出口烟道结构模型如图8所示。优化后流场数值模拟结果如图9~图12所示。

图8 优化后结构模型图 （a）三维流线俯视图 （b）三维流线图A1侧 （c）三维流线图A2侧

图9 优化后结构流线分布示意图

1. 特征截面1速度分布云图（b）特征截面2速度分布云图（c）特征截面3速度分布云图

图10 优化后特征截面速度分布云图 图11 优化后引风机入口截面速度分布云图

（a）特征截面1湍动能分布云图（b）特征截面2湍动能分布云图（c）特征截面3湍动能分布云图

图12 优化后特征截面湍动能分布云图

对比图3图9可知，优化后引风机进口烟道流场分布明显更为均匀，两侧烟气汇流时经导流板与与隔板的作用，气流流动相对更加平稳，在烟道中的充满度得到了提高。

对比图5图10可知，优化后特征截面速度分布变均匀，除尘器净烟气室后水平烟道汇流处及竖直烟道上部的高速区得到有效改善，竖直烟道内气流扭转、缠绕现象基本消失，气流较为平顺；通过对比图5（b）与图10（b）可知，特征截面2上部的最大速度由原来的30m/s降低到10m/s，截面速度分布较为均匀，减小了高速气流对烟道的冲击，有利于提高烟道流场均匀性，减小烟道振动。

对比图6图11可知，优化后引风机入口截面速度分布更为均匀，优化后A1、A2两侧不再存在明显的速度梯度变化，速度呈对称分布，原结构中在A1侧靠近前墙区域存在的局部高速区已消除。整体截面速度保持在1221m/s之间，进入引风机的气流速度变均匀，有利于改善引风机运行特性。

对比图7图12可知，优化后汇流后截面湍动能显著减小，汇流处的导流板与隔板可有效抑制气流扰动，消除高湍动能区域，特征截面1的高湍动能区域明显减小，特征截面2的湍动能最大值由原来的80m²s^-2减小到20m²s^-2左右；特征截面3的湍动能最大值由原来的80m²s^-2减小到55m²s^-2左右，气流状态更为稳定。

3.3 优化前、后压阻分析

引风机进口段烟道的整体压阻对引风机运行状态、机组运行经济性均有一定影响，本文对100%BMCR工况下，优化前、后引风机进口烟道流动阻力进行了分析对比，优化后烟道阻力有所下降，优化后的引风机进口段烟道整体阻力较原结构下降182 Pa，相对原结构下降27%，优化降阻效果显著。

4 模拟验证

根据锅炉冷态自模化原理，采用网格法，在冷态条件下对烟道内主要截面的流速分布进行测试，测试截面选择图1中标出的除尘器出口测试截面。试验结果如图14所示，数模结果如图15所示。

图14测试截面试验轴向速度分布示意图 图15测试截面数模结果轴向速度分布云图

由于数值模拟计算是在理想状态下进行的，忽略烟道中支撑杆件等对流场的影响，且除尘器净烟气室进口截面烟气速度并非完全均匀分布，导致数值模拟结果与试验结果存在一定偏差。对比图14与图15可知，在测试截面上，试验所得的速度分布与数值模拟所显示的结果基本一致，可以认为数值模拟结果能够准确反映引风机出口烟道流场的分布。

5 结论

1. 原结构引风机进口段烟道流场分布不均匀，汇流区域结构设计不合理容易形成涡流区域、高速区域，引起烟道振动，影响引风机运行状态。

2. 通过在汇流区域布置导流板、增设隔板、设置斜角可有效改善引风机进口烟道流场分布，提高烟道内速度分布均匀性，减小烟道流动阻力，优化方案较原结构烟道阻力降低182Pa，降阻效果明显。

参考文献：

1. 康振兴,邵 杰,李国堂. 引风机后汇流烟道的数值模拟[J]. 发电技术, 2012, 33(4): 58-60.

2. 张彭,韦红旗,王丽丽,郭瑞. 600MW机组电除尘器振动问题分析与治理[J]. 电站系统工程, 2016, 32(6): 27-30.

3. 杨威. 锅炉烟道系统振动分析及改造研究[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2012.

4. 邹 欢. 锅炉尾部烟道烟气三维流场的数值模拟及均流装置的研究[D]. 济南: 山东大学, 2013.