张杰 段欣怡
内蒙古鸿骏铝电有限责任公司电力分公司 内蒙古通辽市 029200
摘要：环境保护提出了更高的要求，国家发改委与环境保护部均提出了煤电改造与超低排放的行动计划。全国各地的燃煤电厂相继开展改造工作，多种超低排放技术路线得到进行。超低排放的改造实施中可能会升级或增加一些设备，给机组的烟风系统带来负载的增加，使得现有部分设备无法继续使用，这会增加改造成本。随着现有技术手段的发展，倘若能够对烟风系统某些部件进行优化，比如锅炉尾部烟道，把原有的烟道阻力给降下来，平衡掉新设备带来的阻力，则可以实现原有设备的继续使用，这样更为经济。
关键词电厂锅炉；尾部烟道；两相流
近年来，随着我国社会的快速发展，国家不仅重视经济水平，而且对目前，电厂中的烟风系统是重要耗能部件，要降低该能耗，无外乎是提高风机效率，或者降低烟道阻力。在烟道方面，优化降低阻力、使各个烟道内流量均布等已经成为研究重点，结构设计合理的烟道能够降低整个烟气运行系统的阻力，降低能耗，许多研究工作针对该方面得到开展。为此，本文将重点研究烟道构型方面。现有烟道结构复杂，烟气流动也复杂，文中将使用实验测量手段与两相流数值模拟手段，对烟道进行研究，考察数值模拟手段的可靠性，分析烟道内的流动情况、粉尘浓度分布与阻力分布，为以后的烟道优化提供技术支撑。
1火电机组尾部烟道构型
某电厂机组实际运行中，从锅炉出来的烟气首先分成两路，分别自上而下流经两台空预器，而后各自水平拐弯进入联箱，在联箱上部再经两路爬升烟道进入布袋除尘器，之后经过一系列处理进入烟囱。该烟道结构的布局过于紧凑，水平拐弯和直角弯头较多，预计烟道阻力较大，因此针对该烟道开展了测量与数值计算研究，分析阻力分布情况与产生原因。
2实验测量设备与测点布置简介
在烟道的实验测量中，烟道的模型测点位置分别称作空预器出口测点、水平烟道测点和除尘器入口测点，由于烟气流经两条管路，而这两条管路呈对称分布，所以使用电子微压计仅给出了一侧的测量位置，另一侧的测量位置与之对称。每个测量位置有5至6个测量孔，在每个测孔处又进行了4至6个不同深度位置的测量，本文仅侧重阻力研究。最后得到的烟道阻力，空预器出口测点至除尘器入口测点，A侧大约680Pa，B侧大约730Pa，水平烟道测点至除尘器入口测点，A侧大约400Pa，B侧大约450Pa。
3数值计算理论方法及边界条件设置
电厂尾部烟道内，烟气流动会经过很多拐弯，在弯头或弯曲部件附近可能会产生流动分离，形成漩涡，并且烟道内部的支撑杆也会对烟气流动造成影响，这些都会增大烟道的阻力。数值计算基于ANSYS－Fluent软件架构，其已在工程上取得广泛应用。烟气中粉尘颗粒运动使用了随机轨道模型，假若设正X方向垂直向下，考虑到作用在粉尘颗粒上的力主要是气相阻力和重力，其他力相对较小可忽
略不计，则其三维瞬时运动方程可写为:
（1）
（2）
其中，uk，vk，wk分别是粉尘颗粒在X向，Y向与Z向3个坐标上的瞬时速度分量，u－，v－，w－及u＇，v＇，w＇分别是气相在3个坐标方向上的平均速度分量和脉动速度分量，τvk为颗粒速度弛豫时间。由于结构复杂，所以使用了结构网格与非结构网格的混合网格，并且构建了内部支撑杆结构，为了准确模拟烟气流动情况，在一些局部位置都进行了网格加密处理，网格总量大约在670万。
计算中，烟气体积总流量234e+4m3/h，温度约145℃，烟气成份大致为N2为73%，O2为2．66%，CO2为14．9%，H2O为9．45%(均为体积占比);粉尘颗粒流量约为87t/h，尺寸从15#m到200#m，分成了10组;气相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，烟道壁面假设无热交换。
4烟道阻力测量结果分析
由于实际情况下，烟道可能存在积灰，会带来更大的阻力，而数值计算未能考虑积灰效应，所以数值计算值均比实验测量数值偏低，且相互之间存在差异。在烟道拐角、爬升等部位总压损失较大，是烟道阻力主要集中的部位。在直角弯头和联箱附近及爬升段，是压力损失较大的地方。粉尘粒子随着气流不断运动，由于拐角、联箱、爬升段等部位的存在，使得气流发生偏转流动，造成粉尘粒子的浓度在气流中出现了不均匀的分布情况，在靠近壁面的区域、直角拐角区域、支撑杆区域粉尘浓度较高，而水平拐弯进入直角弯头之前的流动漩涡内，粉尘颗粒浓度则很少。烟气自上而下流经两台空预器之后，在灰斗上方水平拐弯，再经过直角弯头在方形联箱处汇合，而后分别从联箱上部的两侧爬升并流至除尘器入口。在流动过程中，可以看到烟气流线混乱，存在很多流动漩涡结构，尤其联箱内有更大尺寸的漩涡结构，在除尘器之前的烟道内，烟气也在进行旋转流动，这些复杂流动结构均会增加流动阻力，是烟道阻力主要产生的原因。
5结论
本文开展的电厂机组尾部烟道阻力测量与数值计算研究，将得到的实验测量数据与数值模拟结果进行了对比分析，可以得到以下结论:
(1)针对空预器出口测点至除尘器入口测点，实验测量得到的烟道阻力平均值约705Pa，数值计算得到的烟道阻力数值含粉尘情况下约609Pa，二者数值相差约96Pa，计算结果比实验测量结果低了约14%;针对水平烟道测点至除尘器入口测点，验测量得到的烟道阻力平均值约425Pa，数值计算得到的烟道阻力数值含粉尘情况下约408Pa，二者数值相差约17Pa，计算结果比实验测量结果低了约4%。由于数值计算未能考虑烟道中积灰情况，使得计算数据比实验数据偏低，但得到的流动与阻力变化规律是一致的。
(2)气体粉尘两相流动的数值模拟结果显示，对水平烟道测点至除尘器入口测点之间区域来说，不含粉尘粒子的情况下烟道阻力约375Pa，含粉尘粒子的情况下烟道阻力约408Pa，即粉尘带来的阻力影响约33Pa，该差异占比不超过9%;对空预器出口测点至除尘器入口测点之间区域来说，不含粉尘粒子的情况下烟道阻力约564Pa，含粉尘粒子的情况下烟道阻力约609Pa，即粉尘带来的阻力影响约45Pa，该差异占比不超过8%。粉尘颗粒对烟道阻力的评估有一定影响，使用两相流即考虑粉尘颗粒影响的数值计算结果比不考虑粉尘颗粒的单纯气相数值计算结果，更加接近实验数据，说明对于烟道内气体粉尘流动，使用两相流数值模拟技术得到的数据具有更高的可靠性。
(3)经过对烟道内部数值计算的流场进行分析，发现在拐角附近、联箱中、爬升段也产生有复杂的漩涡运动，尤其联箱内有更大尺寸的漩涡结构，是烟道阻力主要产生的地方。同时，这些地方气流发生偏转流动，造成粉尘粒子的浓度出现不均匀的分布情况，在靠近壁面的区域、直角拐角区域、支撑杆区域粉尘浓度较高，而水平烟道的流动漩涡内，粉尘颗粒浓度则很低。这些部位可以通过添加导流板的方式减小阻力，或者使用更为优化的烟道布局与构型。
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