(国电常州发电有限公司 江苏省常州市 213033)
摘要：本文针对江苏某电厂600MW机组锅炉除尘器烟道阻力较大的问题，采用理论分析与数值计算相结合的方式，优化布置烟道，降低锅炉烟气侧阻力，大大提高锅炉运行安全性与经济性。
关键词：烟风道阻力 计算流体动力学
Abstract: In this paper, aiming at the problem of large flue resistance of boiler dust collector for changzhou 600MW unit, the method of combining theoretical analysis and numerical calculation is adopted to optimize the flue arrangement, reduce the flue gas side resistance, and greatly improve the safety and economy of boiler operation.
Key words:duct,resistance，CFD
1项目基本情况
江苏某电厂的2台600MW——HG-1913/25.4-YM3型锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司利用英国三井巴布科克能源公司（MB）的技术支持，进行设计、制造的。锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的本生（Benson）直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布。锅炉岛为露天布置。锅炉设计煤种为神华煤，校核煤种分别为晋北煤和兖洲煤。由于现场钢结构和烟道布置等原因，空气预热器出口至除尘器入口的烟道原设计弯头较多，运行时阻力较大，加之机组运行多年，空气预热器冷端换热元件出现了腐蚀、堵灰情况，额定负荷运行下，空气预热器阻力烟气侧超过3300Pa，烟道内部磨损严重。管道的阻抗特性，主要由管路的布置形式及内部结构所决定，是电站锅炉烟风管道最为重要的性能参数之一，它不仅对介质均匀性、压头损失等各种流体性能以及管路的强度、稳定性等结构性能有较大的影响，而且还会直接关系到电站锅炉的运行性能及发电效率。
2 CFD计算概述
CFD是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，随着计算机技术的发展，所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，现在都可以借助CFD得到解决。目前为止，采用计算机数值模拟技术已经是国内外能源领域研究者普遍采用的手段，随着CFD技术的不断进步，国内外很多SCR系统供应商都在反应器设计工作中运用CFD技术对反应器进行优化设计。
CFD模型建立是从空气预热器出口到除尘器入口，图1为在ANSYS前处理软件GEO中建模的烟道系统的外形示意图。低温烟气离开空预器后，经过5个90度转向进入水平段，再经分流后进入除尘器。网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时，且极易出错，生成网格所需的时间常常大于CFD计算的时间。无论对于结构化还是非结构化网格都是按以下过程生成网格：(1) 建立几何模型，在此过程中根据计算需要对几何模型进行适当的简化；(2) 划分网格，在所生成的几何模型上应用特定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分；(3) 指定边界区域，为模型的每个区域指定名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。利用前处理软件ICEM对SCR系统进行三维建模，采用六面体网格对三维模型进行分区域网格划分。为了捕捉到更丰富的物理现象及细节，并对喷氨栅格、整流格栅等小结构件产生准确几何描述，对上述结构进行局部加密，以提高计算结果的分辨率和准确性。
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图1 CFD模型
FLUENT软件设计是基于“CFD计算机软件群的概念”针对每一种物理流动的特点，采用适合于它的数值解法，在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。FLUENT软件提供了多种优化的物理模型，如定常和非定常流动，层流包括各种非牛顿流模型，紊流包括最先进的紊流模型，不可压缩和可压缩流动，传热以及化学反应等等。对每一种物理模型的流动特点，都有适合它的数值解法。FLUENT将不同领域的计算软件组合起来，省却了科研工作人员在计算方法、编程和前后处理等方面投入的重复、低效劳动，可以将主要精力用于物理问题本身的探索上，从而可以提高研究问题的广度和深度1。
3 理论及CFD分析
原烟道布置有若干弯头，当流体流经弯头时，流速会随着曲率半径的增大而降低，以弯头外侧为例，流体速度先降低后升高，压强先升高后降低，产生逆向的压力梯度，随着主流的前进，边壁层受粘性切应力较大的流体速度逐渐降低，在粘性和压力梯度的作用下，部分流体做漩涡运动消耗能量。同时流体在弯头处会受到离心惯性力的作用，壁面处受粘性切应力的作用速度小于中心处的速度，中心处的惯性力大于壁面处的惯性力，使得流体被压向外侧，产生二次流，消耗能量。在除尘器入口处，当流体分流时由于方向突然改变，原径向的速度分量在撞击中消失，并消耗动能残生新的速度分量3。
经过定性理论分析后，通过CFD数值计算的方式加以验证并进行定量计算。
图2为该段烟道整体压力云图，由图可知:系统压力损失主要发生在弯头处，整个系统共计5个弯头，整个系统的入口和出口的压差约为700 Pa ~ 900 Pa。
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图2 烟道整体压力云图
图3为该段烟道整体速度流线图，由图可知:在弯头处存在一定的涡流和局部死区，整个系统的最高局部速度约为44 m/s。
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图3 烟道整体速度流线图
经过上述分析，减小烟道阻力的原则是：减小漩涡区和二次流的波及范围，以减少流体做漩涡运动以及流体流进流出漩涡区的能量损失，减少由于速度重新分布的动量损失。考虑到现场构架的布置方式以及各辅机设备的预留空间，将原连续弯头变更为倾斜烟道，减少系统弯头的数量至3个，并将弯头尽可能的调整为缓转弯头。具体布置详见下图4：
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图4 改造方案CFD模型
改造后烟道数模分析：
图5为改造后烟道整体压力云图，由图可知:改造后原弯头处的局部压损明显降低，系统压力损失大大减小，整个系统的入口和出口的压差约为150 Pa ~ 300 Pa，比改造前压损降低约550Pa。
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图5 改造后烟道整体压力云图
下图6为该段烟道速度流线图，由图可知:改造后系统流线整体较为平顺，原有的局部涡流及死区基本消失，这大大降低了系统的阻力，改造后整个系统的最高局部速度约为27m/s。
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图6 改造后烟道速度流线图
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图7 改造后烟道速度流线俯视图
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图8 改造后烟道速度流线侧视图
4改造成果
在2019年9月的#1机组A修中实施，此次改造空预器侧烟气压差下降650pa左右，电除尘进出口压差下降500pa左右，总烟气压差下降1150pa左右，三大风机电流总计下降300A左右。考虑入炉煤质等其他因素，风烟温差下降4℃左右。优化前后参数对比如下：
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本次烟风道优化直接经济效益：风机电流下降300A，耗电量下降约2805kwh，折合降低发电厂用电率0.4%，考虑入炉煤质等其他因素，600MW工况下，降低0.3%左右，降低标准发电煤耗约0.95g/kwh。
风烟温差降低约4℃，降低标准发电煤耗约0.74g/kwh，发电厂用电率降低0.3%左右，降低标准发电煤耗约0.95g/kwh，两项合计降低约1.69g/kwh。按全年发电量29亿kwh估算，降低标煤耗量约33115吨，按标煤650元/吨计算，减少2152.5万元费用支出。
本次烟风道优化间接经济效益： 烟风道优化改造后风烟系统阻力降低，并列运行风机安全裕度提高，降低了风机运行失速和喘振的风险。另外风机出力裕度增加还避免了夏季因为风机出力受限使得机组限负荷，造成两个细则考核增加的情况发生。
5结论
管道的阻抗特性，主要由管路的布置形式及内部结构所决定，是电站锅炉烟风管道最为重要的性能参数之一，它不仅对介质均匀性、压头损失等各种流体性能以及管路的强度、稳定性等结构性能有较大的影响，而且还会直接关系到电站锅炉的运行性能及发电效率。本文针对江苏某电厂600MW机组锅炉除尘器烟道阻力较大的问题，采用理论分析与数值计算相结合的方式，优化布置烟道，降低锅炉烟气侧阻力，大大提高锅炉运行安全性与经济性。
参考文献：
1.尤努斯 A. 切盖尔：《Thermodynamics An Engineering Approach》，机械工业出版社，2016，36-37
2.Stephen B. Pope:《Turbulent Flows》，世界图书出版公司，2001，57
3.朱克勤，彭杰：《高等流体力学》，科学出版社，2017，44-45