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600MW火电机组MGGH烟道优化数值模拟

  • 来源: 大唐西北电力试验研究院锅炉室
  • 作者: 郭艳玲
  • 发布时间: 2018-04-02

600MW火电机组MGGH烟道优化数值模拟

郭艳玲

大唐西北电力试验研究院,锅炉室

1 前言

目前,火电厂烟风管道的设计受输送介质、流量及现场布置等因素的影响,存在结构复杂、形状扭曲等问题,尤其表现在火电厂的余热利用改造中。水媒式烟气加热器(简称MGGH)是近些年新兴于日本的余热利用技术,以水为传热媒介,将空气预热器或除尘器出口的烟气热量传递给排烟,通常布置在空气预热器与除尘器之间、引风机与脱硫塔之间、烟囱入口,其连接烟道改造若不合理,易增大系统阻力,影响机组带负荷能力。

600 MW火电机组在进行MGGH改造后,出现系统阻力大、机组带负荷能力不足的问题,原因包括烟气温度高、空气预热器漏风率大等,烟道设计不合理是其中一个重要因素。因此,本文采用CFD数值模拟方法,对该MGGH及连接烟道的流场进行分析,综合考虑换热均匀性和流动均匀性,设计了多种烟道优化方案。通过对优化方案的性能对比,提出了最优的MGGH烟道改造方案,并被电厂采用,预计风机能耗降低10%可达到提升机组带负荷能力的目的

2 数值模拟方法

2.1 几何模型

600 MW火电机组的MGGH位于增压风机及脱硫塔之间,针对该MGGH及连接烟道进行模拟,按实际尺寸1:1建模,忽略烟道内的支撑结构,其几何模型如图1所示。流动工质为烟气,入口截面为8 600 mm×7 000 mm,出口截面为10 850 mm×5 800 mmMGGH入口烟道设置3组导流板,MGGH出口异形弯头设置1组导流板,烟气经MGGH出口烟道后流动至烟箱,烟箱入口设置1组导流板,z方向存在一处直角台阶。由于本文不对换热做详细计算,为了计算简便,建模中将MGGH翅片换热管屏处理为光管,管排数目简化。

图1 MGGH烟道原型

2.2 数值模型

烟气雷诺数Re=4.74×106,因此烟道内的烟气流动为湍流。由于几何模型中有多排换热管和多处导流板,存在边界层效应,为了能更好预测近壁面区域的流动,本文采用适应性较好的Realizable k-ε模型进行湍流计算。湍流模型控制方程如式(1)—(5)所示。

连续方程:                                                          (1)

动量方程:                                (2)

能量方程:                                           (3)

湍动能k方程:                                  (4)

湍流耗散率ε方程:                      (5)

式中:c1=max[0.43, μ/(μt+5)]c2=1.9σk=1.0σz=1.2

由于简化了MGGH换热管形式和数目,本文采用多孔介质模型计算MGGH换热管屏的阻力变化。该模型通过增加动量方程源项实现计算,其中管束外湍流流动的阻力项计算式为

                           (6)

1.3 边界条件

采用速度入口边界,入口流速v=15.86 m/s,入口温度t=131 ℃。出口边界为压力边界,出口表压p=3 000 Pa。壁面设置为绝热。压力-速度耦合采用SIMPLE算法,动量离散采用二阶迎风格式。

1.3 网格无关性验证

为了保证数值计算的可靠性,同时有效减少计算时间,节约运行资源,本文采用了不同数量的六面体网格,以烟道阻力为标准进行网格无关性验证。网络无关性验证如图2所示。从图2可以看出,当网格数目大于200万时,烟道阻力的平均相对偏差为0.12%,可认为200万以上的网格独立。因此,本文采用235万网格进行数值模拟。

图2网格无关性验证

2 原烟道模拟结果

基于上述模型和边界条件,模拟计算得到该MGGH烟道流场如图3所示。入口第一个弯头处,烟气流速在z方向上分布不均,流动向外侧偏离。烟气经过MGGH出口异形弯头时,由于流通截面迅速缩小,流速变化剧烈。在烟箱入口弯头,烟气于xz方向发生流动偏离,导致此弯头内外两侧出现涡流;同时在y方向上存在明显的扩容损失,形成大面积涡流。根据应用广泛的美国RMS标准(式(7)),MGGH入口截面的烟气流速偏差为0.25,流动均匀性差(图4),导致MGGH换热均匀性降低。

                           7

式中:σ为断面流速偏差;vi为单元面流速,m/s

    

     3 原烟道速度分布                                4 原烟道MGGH入口截面速度分布

MGGH烟道总阻力模拟值为982 Pa,试验测量值为1 100 Pa,两者相对误差为10.7%,在可允许的误差范围。模拟计算显示,MGGH前烟道阻力210 PaMGGH出口烟道238 Pa,烟箱阻力295 Pa,可见MGGH前、后烟道阻力均偏大,主要原因在于烟道设计不合理,包括入口第一弯头缺少导流板、MGGH出口弯头与烟箱连接处存在直角台阶、烟箱入口烟道突然扩大。因此,有必要对原MGGH烟道进行优化改造。

3 烟道优化与分析

3.1 优化方案

为了降低系统阻力、提高机组带负荷能力,本文以改善烟道流场均匀性及MGGH换热均匀性为原则,在分析原MGGH烟道设计问题的基础上,提出了3种烟道优化方案,并展开性能分析对比。3中优化方案示意如图5—7所示。优化方案1在入口第一弯头增加导流板,消除MGGH出口1/4收缩面及烟箱入口z方向上的直角台阶;优化方案2在优化方案1基础上,完全消除MGGH出口收缩段;优化方案3基于优化方案1,将烟箱入口改为缓转弯头,调整此弯头导流板,在烟箱底部增加流线型导流板,改造为渐扩形烟箱。考虑现场空间布置情况,3种优化方案均具备改造条件。

图5 优化方案1                         图6优化方案2                    图7 优化方案3

3.2 模拟结果分析

8给出优化方案1速度云图。由图8可以看出:在入口第一弯头增加导流板可显著改善MGGH前烟道的流动均匀性,此段烟气流动未出现明显偏离,MGGH入口流动均匀性进而提高(图9),此截面烟气流速偏差减小为0.19MGGH出口流速变化减缓,烟箱入口弯头内侧涡流消失;相比于原烟道阻力,优化方案1总阻力降低114 Pa,但烟箱入口弯头外侧及y方向的涡流仍然存在。

   

       8 优化方案1速度分布                9 优化方案1MGGH入口截面速度分布

10为优化方案2的速度分布。从图10可以看出:优化方案2进一步减少了MGGH出口的节流损失,此异形弯头的烟气流动平缓,流速变化均匀;MGGH前烟道流动均匀性的改善效果与优化方案1一致;优化方案2总阻力较原烟道降低157 Pa

10 优化方案2速度云图                      11 优化方案3速度分布

11为优化方案3的速度分布。从图11可以看出,优化方案3综合提高了MGGH前、后烟道的流动均匀性,MGGH入口截面烟气流速偏差改善为19%MGGH出口收缩段的节流损失减少,在烟箱入口弯头有效消除内、外侧涡流,烟箱y方向上扩容损失大幅减小。

优化方案3烟箱速度分布左视图和俯视图分别见图12和图13。从图12和图13可以看出,烟气进入烟箱后未发生明显的流动偏离,流速变化均匀,利于避免下游烟道出现涡流。对比原烟道,优化方案3实现降阻448 Pa

12 优化方案3烟箱速度分布左视图      13 优化方案3烟箱速度分布俯视图

MGGH烟道优化前后性能对比见表1。由表1可见,3种优化方案有效改善了MGGH前烟道流场,均实现MGGH入口截面流速偏差减小6个百分点,使烟气以良好的流动均匀性进入换热管屏,利于换热均匀性提高。优化方案1可降阻11.6%,改造工程量较小,主要优化入口流场和MGGH出口异形弯头流场,对烟箱内流动均匀性无明显改善;优化方案2可降阻16%,增大对MGGH出口异形弯头流场的优化,但改造工程量较大,其降阻能力较优化方案1无显著提升;优化方案3可降阻45.6%,改造工程量较大,综合提高了MGGH前后烟道的流动均匀性,降阻能力强,预计降低风机能耗10%

1 优化方案性能对比

方案

总阻力/Pa

MGGH入口截面流速偏差

原烟道

982

0.25

优化方案1

837

0.19

优化方案2

825

0.19

优化方案3

534

0.19

4 结论

1)某600 MW火电机组MGGH烟道设计不合理,存在系统阻力大、机组带负荷能力不足等问题。CFD数值模拟结果显示,原烟道入口弯头烟气流动发生偏离,MGGH入口截面流速均匀度差;MGGH出口异形弯头烟气流速变化剧烈,烟箱内存在明显的流动偏离和大面积涡流;MGGH前、后烟道阻力均偏大,有必要进行烟道改造。

2)为了降低烟道系统阻力、提高流场均匀性及换热均匀性,本文提出了3种烟道优化方案,可有效改善MGGH前烟道流场,实现MGGH入口截面流速偏差减小6个百分点,利于换热均匀性提高。

3)优化方案1、优化方案2、优化方案3分别可降阻11.6%16.0%45.6%,其中优化方案3综合提高了MGGH前、后烟道的流动均匀性,尤其对烟箱内流场改善效果良好,降阻能力显著,预计风机能耗降低10%,可达到提升机组带负荷能力的目的。


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