锅炉尾部烟道减阻优化典型设计与仿真分析

锅炉尾部烟道减阻优化典型设计与仿真分析

吴玲玲

身份证号 23030619830520**** ，黑龙江省哈尔滨市， 150000

摘要：烟道系统是火电厂的重要部件，是电厂重要的运行能耗之一。在前期电厂设计的过程中，由于未充分考虑尾部烟道系统阻力，尾部烟道布置一般采用横平竖直的矩形结构设计，因此，尾部烟道结构出现烟道急弯多，矩形烟道内部支撑多，烟道内烟气流动漩涡太多的情况，导致烟道系统阻力较大，使得生产能耗指标高。结合现场实际，以某发电公司330MW机组锅炉和600MW机组锅炉的尾部烟道为对象，提出了倾斜爬坡与圆形2种不同的典型烟道优化设计，并用CFD进行了数值模拟分析，实现了尾部烟道阻力的大幅度降低。关键词：尾部烟道；倾斜爬坡；圆形；数值模拟烟道系统是火电厂的重要部件，是电厂重要的运行能耗之一[1]。统计发现，目前电厂运营机组中为克服烟气系统阻力而设置的风机设备约占厂用电率的1%[2]。由此可知，结构设计合理的烟道能够给整个烟气运行系统带来有益的作用。锅炉尾部烟道是指设置在锅炉尾部用来排烟的烟道，一般为空预器出口到除尘器入口位置处。由于在前期电厂设计过程中未充分考虑尾部烟道系统阻力，导致烟道系统阻力较大，生产能耗指标高[3]。随着市场竞争的加剧，目前电厂都进行精益化管理，从多方面提高经济效益。所以，尾部烟道的优化改造成为了电厂节能改造的重点内容之一[4]。

本文结合现场实际，以某发电公司330MW机组锅炉和600MW机组锅炉的尾部烟道为对象，提出了2种不同的典型烟道改造设计，并用CFD（计算流体力学）进行了数值模拟分析，尾部烟道阻力明显降低。

1烟道倾斜爬坡结构优化设计

某发电公司330MW机组锅炉是DG1177/17.4-Ⅱ2型亚临界参数CFB（循环流化床）锅炉，为单汽包自然循环、单炉膛、平衡通风、一次中间再热、紧身封闭固态排渣锅炉，尾部采用双烟道结构。该电厂4#机组的锅炉尾部烟气分成2路平行通道，流经2路结构对称设计的烟道，进入2路布袋除尘器，在2路烟道之间设置有联箱。原尾部烟道采用的是横平竖直的结构设计方法，从空气预热器出口到布袋除尘器入口，经过了3个90°的直角弯，烟道内部采用十字撑并排支撑结构设计，出现了烟道急弯多、内部支撑过多、烟道内气体流动漩涡太多的情况，导致烟道系统阻力较大。基于以上分析，优化改造结构设计由横平竖直结构设计为倾斜爬坡结构设计，尽可能把原先烟道的直角弯头取消，并把烟道的内部支撑去掉，从而减少弯头损失，减小引风机的电机耗能。改造设计去掉了原有烟气往左右两侧水平拐弯流动的侧室，烟气由空预器出口倾斜向下并向前流动，而后沿倾斜爬升直烟道连接到除尘器入口，在除尘器入口前方设计一段水平直段，以满足除尘器烟气入口的要求。

2倾斜爬坡烟道的数值模拟计算

使用CFD对原烟道和倾斜爬坡烟道进行数值模拟，对烟道的阻力进行分析计算。烟道CFD数值模拟所用烟气成分与状态如表1所示。计算过程中，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[5-6]。通过对烟道内烟气流动的数值计算，得到了烟道阻力数值。烟道拐角处、爬升处等部位总压损失较大，是烟道阻力主要集中的部位。

新设计的烟道阻力为185Pa，比原烟道阻力降低了379Pa。比较分析倾斜爬坡烟道与原烟道的结构，发现原烟道烟气首先从空预器下部左右两侧流动，接着向前方流动，然后烟气再向上流动，再向前流动，进入到除尘器入口；而优化设计的烟道烟气直接从空预器下部向前方流动，经过倾斜向上进入到除尘器入口。与原烟道相比，新烟道设计减少了3个直接弯头，并缩短了烟道流程长度。

3圆形结构烟道优化设计

某发电公司600MW国产超临界燃煤机组锅炉为超临界本生（Benson）直流锅炉，锅炉型号为HG-1913/25.4-YM4，中间一次再热、变压运行、带内置式再循环泵启动系统，固态排渣，单炉膛平衡通风、∏型露天布置、全钢构架悬吊结构。电厂2#机组的锅炉尾部烟道，空气预热器出口至除尘器入口的烟道阻力较大。通过改造前整个系统的理论计算，入口和出口的压差约为850Pa。该烟道的优化设计要求是，控制合理的烟气流速和阻力压降，减少弯头数量，降低烟道弯头处出现的局部压损。新设计烟道采用圆形烟道，每台空预器出口大小头保留，截断一部分烟箱，并进行封堵，在烟箱顶部开孔，烟箱底部作圆弧处理，烟箱顶部开孔处接方圆连接节、圆形烟道和弯头，烟道抬升至除尘器入口标高后，由水平弯头接至除尘器入口，新设计烟道的布置情况对钢结构改动较小，无需调整钢结构整体框架，且圆形烟道的使用降低了单位截面的烟道质量，减轻了烟道荷载[7-8]。

4圆形烟道数值模拟计算

使用CFD对原烟道和新设计烟道进行了数值模拟分析，对烟道的阻力进行分析计算。计算中，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。

原烟道的阻力大约为850Pa，新设计圆形烟道阻力大约为150Pa，阻力减小了约700Pa。阻力减少的主要位置是，原尾部烟道底部2个90°的急转弯是压力损失最大的地方，从流场流线也能够看出，流线呈现复杂的湍流流动状态[9-10]，而新设计烟道在设计方面避免了急弯设计，并采用圆形烟道的结构，烟道内烟气流线呈现良好的流动状态，且烟道长度变短，弯头数变少。

原烟道烟气速度图

新烟道烟气速度图

5结语

选取电厂原有烟道并对其进行分析，提出了2种典型的烟道优化设计，即倾斜爬坡型设计与圆形设计，这两类优化设计可推广并适用于更多的烟道改造设计中。经过讨论分析，可以得到以下结论：a)针对目前尾部烟道采用的横平竖直的设计，结合现场实际，以某发电公司330MW机组锅炉和600MW机组锅炉的尾部烟道为对象，提出了可以实际应用的倾斜爬坡烟道设计和圆形烟道设计；

b)使用CFD进行数值模拟分析，实现了330MW机组锅炉尾部烟道阻力由改造前的564Pa降低至185Pa，降低了379Pa，阻力减小了约67.2%；实现了600MW机组锅炉尾部烟道阻力由改造前的850Pa降低至150Pa，降低了700Pa，阻力减小了约82.4%。

参考文献：

［1］朱发华，王林清.煤电超低排放的技术经济与环境效益分析［J］.环境保护，2014，42(21)：28-33.

［2］袁斌.600MW锅炉烟道阻力增加的原因分析及处理［J］.锅炉制造，2009(5)：20-23.

［3］李凯伦，孙大伟，朱红伟，等.600MW火电机组烟道优化［J］.热力发电，2017，46(4)：120-136.

［4］卢权，郝剑，李文韬，等.燃煤电站锅炉尾部烟道流场数值模拟分析及改造［J］.热能动力工程，2017，32(12)：66-72.

［5］樊晓康.矩形烟风管道有限元建模及结构分析软件二次开发［D］重庆：重庆大学，2017.