百度学术
全文HTML
燃煤电厂是我国一次能源消耗及污染物排放大户，为适应国家环保及节能的要求，提高燃煤电厂能源利用水平、减少污染物排放对我国的节能减排工作意义重大。通过采用大容量机组、优化系统设计、提高电站运行水平等方法，我国燃煤电厂的节能减排工作取得显著成效。然而，随着节能减排工作的逐步深入，节能潜力越来越小，所以燃煤电厂各个系统与环节的优化节能是我国未来节能减排的突破点[1-2]。
燃煤电厂烟风道用于输送烟气、冷风等介质，设计水平不但影响着烟风道系统的阻力[3]，而且影响着与烟风道相连的各设备的运行状态[4-5]，同时会影响各设备的电耗与效率[6]。在常规的工程设计中，烟风道阻力计算主要依据相关的设计规范和手册[7-8]，但是对于烟风道内的一些异形件，设计手册中并未给出相应的阻力系数或计算方法，而异型件阻力占系统阻力的很大部分，甚至是绝大部分[9]，因此，对烟风道的优化主要是对烟风道中的异型件的优化。对于这个问题，国内外学者已经进行了很多研究，但主要针对其中的部件如弯头[10-12]、变径管、分叉管等进行，并未综合考虑烟风道的布置，从而对此进行深入研究[13-14]。流线型烟风道的设计综合考虑了烟风道的总体布置及各种异型件的优化问题，是一种有效减阻、节能的方法。因为烟气在烟风道内流动时所受的阻力，是由内摩擦和涡旋2个原因所造成的，而由涡旋导致的局部阻力是主要的阻力来源。为了有效地减小阻力，就要设法避免涡旋的形成。所以在进行烟风道设计时，对烟风道布置进行整体考虑，尽量减少烟风道的内部构件，在烟风道转弯处进行圆滑过渡，减少烟风道内涡旋，这种烟风道设计方式为流线型设计。
本研究以某电厂1 000 MW机组配套低低温电除尘器的进出口烟道为例，采用CFD数值模拟和物理模型相结合的方法，对比不同烟道布置方式的流场及阻力的变化趋势，为电厂节能降耗提供参考。
1 几何模型和数学模型
某电厂1 000 MW机组配套低低温电除尘器进口烟气量为5 813 997 m3·h−1，按照1:1的比例建立CFD几何模型，模拟范围从空气预热器出口到引风机入口，主要包括进出口烟道、低温省煤器和电除尘器，如图1所示。
电除尘器系统的流动为三维湍流问题，需要采用适当的湍流模型，本研究采用在工程上广泛应用的标准k-ε模型，SIMPLE算法；基本方程为连续性方程、动量方程和能量方程；同时采用多尺度方法[15]对系统进行模拟分析，由于低温省煤器内部涉及热交换，故设置有内热源。
图1 电除尘系统布置图
Fig. 1 ESP system layout
Fig. 1 ESP system layout
模型的网格划分是进行CFD计算的基础，基于模型整体考虑，本模拟采用结构化网格和非结构化网格相结合的方式对整个模型进行网格划分，如图2所示，经过网格质量检查，其质量良好。对不同网格数量，计算系统阻力，所得结果如图3所示，可见网格数量在大于400万个后，系统阻力变化幅度很小，网格独立。为了保证低温省煤器的流场合理性，对低温省煤器网格进行了局部加密，本研究计算所采用的网格数量约为950万个。
图2 电除尘系统网格划分
Fig. 2 Mesh of ESP system
Fig. 2 Mesh of ESP system
图3 网格独立性验证
Fig. 3 Grid independence verification
Fig. 3 Grid independence verification
2 物理模型
为了对CFD模拟结果进行验证，按照1:12的比例建立常规烟风道及流线型烟风道物理模型，如图4所示，模型主要包括进出口烟道、低温省煤器和低低温电除尘器本体，并在满足几何相似、运动相似和动力相似的条件下，对物理模型烟风道的气流分布、流量分配及阻力进行测试，用以验证CFD模拟结果的准确性。
图4 物理模型系统
Fig. 4 Physical model system
Fig. 4 Physical model system
3 结果及分析
3.1 进口烟道流场分布及流量分配
对常规烟风道和流线型烟风道的流场进行了CFD模拟及物模实验。图5为不同布置方式的流线分布，可以看出，优化前的常规烟风道弯头下游存在大范围涡流，会消耗大量能量，使系统阻力变大；通过在烟风道内设置导流板对流场分布进行优化，优化后流场分布有了明显改善，消除了大范围涡流，但烟风道内部分导流板的下游依然存在局部涡流，会产生较大阻力；而流线型烟风道内的流场分布明显优化常规烟风道，同时消除了烟道内的涡流，使气体流动更顺滑。
图5 进口烟风道流线图
Fig. 5 Streamline of inlet duct
Fig. 5 Streamline of inlet duct
表1为不同烟风道布置方式的流量分配对比，可以看出，优化前的常规烟风道和流线型烟风道的流量分配均不能达到相关设计要求，但流线型烟风道的流量分配较常规烟风道有明显改善；优化后CFD模拟和物模实验的流量分配都可以达到相关设计要求，CFD模拟和物模结果有较好的吻合性，且流线型烟风道的流量偏差明显小于常规烟风道。由于流线型烟风道设计时已考虑到烟气的流动状态，并综合考虑了烟风道总体布置和异型件优化，本身就具有良好的均流作用，因此，若达到相同的流场分布效果，流线型烟风道的布置更简单，所需设置的导流板数量更少，有利于保证现场的安装精度，使导流板发挥更好的效果。
表1 流量分配对比
Table 1 Flow distribution comparison
Table 1 Flow distribution comparison
位置 | 常规烟风道流量偏差/ % | 流线型烟风道流量偏差/ % | |||||
优化前 | 优化后 | 优化前 | 优化后 | ||||
CFD | 物模 | CFD | 物模 | ||||
左室 | -37.93 | +0.82 | +1.33 | +5.88 | -0.20 | +0.96 | |
中室 | +39.35 | -0.50 | -0.48 | -11.02 | -0.12 | -0.81 | |
右室 | -1.42 | -0.32 | -0.85 | +5.14 | +0.32 | -0.15 | |
图6 优化后常规烟风道断面速度分布图
Fig. 6 Velocity distribution contours in conventional flue gas duct section after optimization
Fig. 6 Velocity distribution contours in conventional flue gas duct section after optimization
图6 优化后常规烟风道断面速度分布图
Fig. 6 Velocity distribution contours in conventional flue gas duct section after optimization
Fig. 6 Velocity distribution contours in conventional flue gas duct section after optimization
图7 优化后流线型烟风道断面速度分布图
Fig. 7 Velocity distribution contours in streamlined shape flue gas duct section after optimization
Fig. 7 Velocity distribution contours in streamlined shape flue gas duct section after optimization
图7 优化后流线型烟风道断面速度分布图
Fig. 7 Velocity distribution contours in streamlined shape flue gas duct section after optimization
Fig. 7 Velocity distribution contours in streamlined shape flue gas duct section after optimization
3.2 出口烟风道流场分布
图8为2种布置方式的出口烟风道流线图，可以看出，采用常规烟风道布置，在急转弯头下游产生大涡流，会产生较大的能量损失，主要是因为主流会将能量传递给旋涡，旋涡将能量消耗在旋转中，导致产生较大阻力；而采用流线型布置，消除了烟道内的大涡流，也就是消除了大的能量损失，有利于烟道的降阻。涡流由于会大量消耗主流的能量，是导致阻力产生的主要因素[16]，消除烟道内的涡流不仅使烟道内气流流动更顺滑，而且有利于降低烟道的阻力；同时采用流线型烟风道布置，其烟道内的局部高风速也明显较常规烟风道低，这同样有利于降低烟风道的阻力。
图8 出口烟风道流线分布图
Fig. 8 Streamline of outlet duct
Fig. 8 Streamline of outlet duct
3.3 系统阻力
沿气流方向压力监测断面如图9所示，压力变化如图10所示，常规烟风道和流线型烟风道阻力对比如表2和图11、图12所示。从图10~图12和表2可以看出，2种布置方式下，低温省煤器和电除尘器的阻力几乎相同，说明低温省煤器和电除尘器的阻力受流场分布影响较小，原因在于低温省煤器和电除尘器本身具有均流作用，因此，在入口风速相同的情况下，影响低温省煤器和电除尘器阻力的主要因素是设备的结构。从图10~图12和表2中可以看出，常规烟风道整体阻力明显高于流线型烟风道，结合章节3.1和3.2烟风道内的流场分布，可以看到在常规烟风道内存在涡流，而涡流会大量消耗主流的能量，是产生局部阻力的主要因素；涡流除了消耗主流的能量，还减小了烟风道的有效流通面积，相当于增加了烟风道内的风速，使烟风道阻力变大；而流线型烟风道则可有效地消除烟风道内的涡流，相当于增加了烟风道的有效流通面积，降低了烟风道内的风速及能量消耗，可以有效地降低烟风道的阻力。物模测试结果与CFD结果吻合性良好，说明CFD对模型阻力的预测结果是准确的；CFD模拟结果显示：流线型进口烟风道比常规烟风道阻力下降66.2%，出口烟风道下降47.3%；物模结果显示：流线型进口烟风道阻力比常规烟风道下降68.9%，出口烟风道下降55.6%，物模结果与CFD模拟结果相吻合，说明流线型烟风道具有明显的降阻、节能降耗作用。
图9 沿气流方向监测断面
Fig. 9 Monitoring section along airflow direction
Fig. 9 Monitoring section along airflow direction
图10 沿气流方向压力变化曲线（P断面1=0 Pa）
Fig. 10 Curve of pressure variation along airflow direction （Psection 1=0 Pa）
Fig. 10 Curve of pressure variation along airflow direction （Psection 1=0 Pa）
图10 沿气流方向压力变化曲线（P断面1=0 Pa）
Fig. 10 Curve of pressure variation along airflow direction （Psection 1=0 Pa）
Fig. 10 Curve of pressure variation along airflow direction （Psection 1=0 Pa）
表2 不同布置方式阻力对比
Table 2 Resistance comparison among different layout methods
Table 2 Resistance comparison among different layout methods
位置 | 常规烟风道阻力/ Pa | 流线型烟风道阻力/ Pa | ||||
CFD | 物模 | CFD | 物模 | |||
进口烟风道 | 左室 | 132 | 133 | 45 | 41 | |
中室 | 138 | 129 | 47 | 39 | ||
右室 | 137 | 124 | 46 | 40 | ||
低温省煤器 | 329 | 335 | 326 | 310 | ||
出口烟风道 | 左室 | 155 | 186 | 70 | 78 | |
中室 | 152 | 195 | 85 | 87 | ||
右室 | 137 | 182 | 78 | 85 | ||
图11 进口烟道阻力对比
Fig. 11 Resistance comparison along inlet duct
Fig. 11 Resistance comparison along inlet duct
图12 出口烟道阻力对比
Fig. 12 Resistance comparison along outlet duct
Fig. 12 Resistance comparison along outlet duct
4 结论
1）优化前，2种布置方式的流量分配均不能达到相关的设计要求。经过优化后，2种烟道布置形式的流量分配都能达到设计要求，流线型烟风道略好于常规烟风道；而达到同样的流场优化要求，流线型烟风道设置的导流板数量明显少于常规烟风道。
2）流线型烟风道的阻力明显低于常规烟风道，CFD模拟显示，进口烟道下降66.2%，出口烟道下降47.3%；物模结果显示，进口烟道下降68.9%，出口烟道下降55.6%。
3）从对比结果来看，无论是流场分布，还是烟风道阻力，CFD模拟结果与物模测试结果吻合性良好，流线型烟风道均优于常规烟风道；并且流线型烟风道布置更简单，有利于系统的节能降耗。
下载:
