電除塵器進口煙箱結構設計對氣流分布的影響及數值模擬優化

熊遠南，汪永威，陳英武

(1.中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中電力試驗研究院，鄭州 450000；2.信陽市發改委節能監察局，河南 信陽 464000)

0 引言

目前，我國發電裝機容量中，燃煤火電機組容量約占62.2%，仍占據主導地位。燃煤電廠的煙塵排放直接影響環境空氣質量[1-3]，因此，有效控制燃煤煙塵排放質量濃度，加快研究大氣污染治理技術是滿足我國日趨嚴格環保標準的有效途徑。電除塵器作為捕集粉塵顆粒的重要設備，以其工作可靠、高效穩定、除塵效率高以及維護方便等眾多優勢[4-5]被廣泛應用于電力、冶金、建材和化工等領域。自2016年起，我國對燃煤機組全面實施超低排放改造，要求控制火電廠燃煤機組尾部煙囪粉塵排放質量濃度不超過10 mg/m3，部分重點地區甚至不超過5 mg/m3，對電除塵器的性能提出了更高的要求。

燃煤電廠煙氣在煙道空間的流動一般為復雜的氣固多相流[6]，如果電除塵器入口的含塵氣流分布不均勻，會嚴重堵塞和磨損進口煙箱，煙箱內部存在的局部渦流和死角，不僅增加了能耗，還降低了除塵效率。電除塵器兩室流量分配的均衡性和氣流分布的均勻性是影響其性能的關鍵因素[7-8]。因此，在電除塵器入口端設計最佳布置形式的導流板，降低煙氣流動阻力，實現對煙氣流量分配的均衡[9-10]；優化調整喇叭口的氣流分布裝置，有效減少氣流紊亂、旋流和回流等現象，進而改善氣流分布質量，是目前廣大科技工作者重點關注的問題。

電除塵器的氣流分布狀況是結構設計和運行調整的重要參數，通過調整進口煙箱中氣流分布板和導流板的布置方式來進行控制。氣流分布研究主要有模型試驗和計算流體動力學(CFD)數值模擬2種方法[11-13]。與模型試驗相比，數值模擬避免了試驗的盲目性，可在較短周期內準確獲得研究對象在實際工況下的各種運行參數。本文通過CFD數值模擬方法研究進口煙箱結構參數對氣流分布均勻性的影響，以確定電除塵器進口煙箱結構的優化設計方案。

1 數值模擬

1.1 物理模型及網格劃分

以某電廠2×300 MW亞臨界發電機組配備的雙室五電場靜電除塵器為研究對象，按 1∶1的比例建立電除塵器的幾何模型，選取煙氣入口流向為X軸，監測截面煙道寬度方向為Y軸，高度方向為Z軸。由于煙氣只在電除塵器進口煙箱內進行流量分配和混合，同時為了節省計算資源和時間，本文只對電除塵器的進口煙箱進行數值仿真。如圖1所示，物理模型主要包括入口豎井煙道和A，B室進口前喇叭口。豎井煙道頂部中間安裝了2塊弧形導流板，A室進口圓弧段煙道處布置了4塊立式弧形導流板，B室進口煙道布置了2塊橫向折線形導流板。豎井煙道模型尺寸為 7 600 mm×8 000 mm×2 000 mm(長×高×寬)，A室進口煙道包括直角段和圓弧段2部分，其中直角段煙道尺寸為3 180 mm×3 600 mm×3 200 mm(長×高×寬)，圓弧段煙道弧度為90°，半徑為4 146 mm；B室進口煙道都是矩形煙道，尺寸為7 280 mm×3 600 mm×3 200 mm(長×高×寬)。本文采用了非結構化網格式進行網格劃分，同時對關鍵部分(導流板和多孔均布板)的網格進行節點加密。

1.2 網格無關性驗證

通過比較不同網格數量的電除塵器進口煙箱阻力壓降，以驗證計算結果對網格密度變化的敏感性。如圖2所示，網格數大于750萬以后，阻力壓降基本不發生變化，且與現場測試值(212 Pa)較為接近。因此，該物理模型劃分的網格總數量為750萬左右，可滿足計算精度要求。

圖1 電除塵器原結構入口豎井煙道模型及網格劃分Fig.1 Model and meshing of original vertical duct at ESP inlet

圖2 網格無關性驗證Fig.2 Grid independence verification

1.3 邊界條件

采用Fluent 15.0商業軟件，設置穩態的壓力基求解器，求解方法采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，對流項采用二階迎風格式。本文將煙氣作為連續相，計算時采用標準的k-ξ雙方程模型來求解湍流問題[14-15]。根據煙塵質量濃度測試數據可知，顆粒相的體積分數約為2.57%，且煙氣湍流會對煙塵顆粒的運動產生影響，因此，采用離散相模型(DPM)描述煙塵顆粒在進口煙箱內部的運動軌跡[16]，考慮煙氣相與顆粒相之間的耦合作用。設置煙氣相的入口邊界條件為速度進口，顆粒相射入速度與煙氣相相同，以垂直于表面的方式從入口面直接噴入，速度為16.5 m/s，進口壓力為0 Pa(靜壓)；進口煙箱2個出口為相同的壓力出口，顆粒相特性為逃逸；計算時間步長為0.001 s，連續相每迭代計算20次對離散相進行1次計算；采用無滑移壁面條件，壁面為絕熱且壁面邊界層采用壁面函數法進行處理，顆粒相特性為反射。在Fluent圖形窗口中監視各項變量殘差的變化趨勢，以小于1.0×10-4作為迭代收斂的判定標準。

1.4 評價標準

采用相對均方根值σ對電除塵器A，B 兩室進口截面氣流流速的分布情況進行評價。DL/T 514—2017《電除塵器》中規定：σ≤0.25為合格，σ≤0.15為良好，σ≤0.10為優[17]。

表1 電除塵器監測截面現場測試結果Tab.1 Field test results at monitoring cross-section of ESP

(1)

一般電除塵器兩室設計流量偏差在±5%范圍內，本文采用以下公式來計算電除塵器兩室氣流偏差程度δ。

(2)

式中：qmA，qmB為煙氣經過除塵器A，B兩室的質量流速，kg/s。

2 數值模擬結果驗證

2.1 現場流場測試結果

機組負荷穩定時，在電除塵器的2個進口煙道監測截面處，采用3012H型自動煙塵測試儀及配套的S型皮托管，以網格法順序逐孔測量出不同負荷下監測截面上各點的煙氣流速和煙塵質量濃度。每個進口矩形煙道尺寸為3 600 mm×3 200 mm(高×寬)，分別在A，B監測截面頂部(Y方向)開設4個測孔，在每個測孔垂直方向(Z方向)分布16個測點，測試結果見表1。

由表1可知：不同負荷條件下電除塵器A，B兩室內部速度分布的均勻性很差；隨著負荷的增加，兩室入口截面的平均流速和煙塵質量濃度逐漸增大，但σ和δ值幾乎不發生變化：因此，本文只需要考察100% 鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況即可。

2.2 現場測試與模擬結果對比

由圖3可知，監測截面處煙氣速度的數值模擬分布趨勢與現場測試結果比較吻合，說明運用數值模擬進口煙箱內煙氣流場分布是比較可靠的。A室入口煙道是直角結構，入口處布置了2塊橫向折線形導流板，因此貼近下壁面附近存在明顯的局部高速渦流，流速高達28.0 m/s 左右，其他區域流速偏低；B室入口煙道采用了直角彎弧結構，入口處也布置了4塊臥式弧形導流板，由于導流板的引流作用，加上煙氣偏流嚴重，B側監測截面右壁面處于高流速區，流速高達27.5 m/s左右。

圖3 電除塵器A，B側監測截面速度分布模擬值與測試值Fig.3 Numerical simulation results and field test results of gas velocity distribution at monitoring cross-section on side A and side B of ESP

由表2可知，電除塵器A，B室監測截面煙氣平均流速、速度均方根值σ、阻力壓降以及煙塵質量濃度的現場測試和數值模擬結果較為接近，相對誤差均在8%以內，可滿足工程應用的精度要求。

3 進口煙箱結構對氣流分布的影響

3.1 導流板布置方式的影響

受空間布局限制，原電除塵器進口煙箱結構不對稱，當電除塵器尾部2個煙道出口對稱時，在相同引風機動力源的驅動下，A，B兩室阻力不同；同時，由于豎井煙道中的導流板幾乎不起作用，導致煙氣偏流現象嚴重。當煙氣由豎井煙道進入A，B兩室時，流向由垂直變成水平方向，氣流在拐彎處容易出現渦流，造成中心氣流和四周氣流的分布嚴重不均。因此，需要對電除塵器的導流板進行優化布置，引導氣流均勻分配。本文考察了豎井煙道中導流板的安裝角度、塊數和位置對電除塵器兩室流量分配和氣流均勻性的影響，如圖4、圖5所示。

表2 電除塵器A，B側截面現場測試和數值模擬結果對比Tab.2 Comparison between the field test results and numerical simulation results at monitoring cross-section on side A and side B of ESP

圖4 電除塵器進口煙箱豎井煙道中導流板的布置方式Fig.4 Arrangement of deflector in vertical duct of smoke box at ESP inlet

圖5 豎井煙道中導流板布置方式對氣流均勻性的影響Fig.5 Effect of deflector installed in vertical duct on airflow distribution uniformity in smoke box at ESP inlet

由圖5可知：當弧形導流板圓心角θ為60°時能夠獲得最佳的氣流分配均衡性；通過調整導流板的安裝位置(Y=0.9 m)也可以優化氣流分布；在豎井煙道中安裝1塊導流板時，可初步改善電除塵器進口煙氣的流量分配，但還不足以消除內部強烈的旋流現象；布置3塊導流板與布置2塊導流板起到的均流效果差不多，其流量分配已趨于均衡，δ值均小于5%，σ值穩定在0.17左右。由此可知，導流板并不是越多越好，因此，在豎井煙道中布置2塊導流板較為合理。

3.2 多孔板開孔率及間距的影響

為了改善氣流分布的均勻性，通常會在電除塵器進口煙箱喇叭口中布置多層多孔均布板。紊亂不均的含塵氣流通過多孔均布板時，依靠其節流作用，迫使氣流重新打亂分布，流速趨于一致，保證氣流均衡地布滿整個空間，獲得良好的流化狀態。因此，本文繼續考察了進口煙箱喇叭口處3層多孔板的開孔率和孔板布置間距對氣流分布的影響，如圖6—8所示(圖中：K為開孔率；X為安裝間距)。

圖6 電除塵器進口煙箱氣流分布裝置結構Fig.6 Structure of air distribution plates in smoke box at ESP inlet

由圖7可知：當喇叭口3層均布板的設置間距一定時，在前3種開孔率方式中，3層多孔板的開孔率均是由小變大，有利于促進高低流速區域的煙氣流充分混合，增強流場分布的均勻性，隨著開孔率的減小，氣流分布的均勻性得到進一步加強；但當采用由大變小的第4種開孔率方式時(50%，45%，40%)，即使減小單層多孔板的開孔率也不能改善流場分布的均勻性。多孔板是通過減小開孔率來增加煙氣阻力的，多孔板前面的大量煙氣流被依次切割，每切割1次，湍動強度就會被明顯減弱，并在多孔均布板后形成小規模紊流，因此當開孔率由小變大時，不僅可以有效降低局部大渦流的產生，而且不會過大增加煙氣流動阻力。多孔板開孔率的設置應結合進口煙箱的實際情況，開孔率過大均流效果會減弱，過小煙氣阻力會明顯增加。相對而言，第3種開孔率方式(40%，45%，50%)的煙氣速度分布比較均勻，且大部分分布在12～25 m/s。

圖7 多孔板開孔率方式對進口煙箱氣流均勻性的影響Fig.7 Effect of the percentage of open areas of orifice plates on airflow distribution uniformity in smoke box at ESP inlet

如圖8所示，第3種布置間距方式(X1=1 800 mm，X2=1 200 mm，X3=1 000 mm)是從大變小且第1層間距更大些，這樣更容易降低氣流的湍動強度，最大值僅為2.5%左右。由于從進口煙箱出來的煙氣在經過第1塊多孔板前產生的渦流區域較大，煙氣速度嚴重分布不均，因此第1層多孔板的間距X1應設置較大些，使得煙氣通過第1塊多孔板后有足夠的空間充分混合。由于多孔板的阻力和均流作用，煙氣通過每層多孔板之后流速會大幅降低，且湍流脈動程度也會降低，因此第2層和第3層多孔板間距X2和X3應逐一減少。因此，整個喇叭口內不會存在明顯的高、低速氣流區，各區域的湍流強度接近，促使整體氣流分布較均勻。

圖8 多孔板布置間距對進口煙箱氣流均勻性的影響Fig.8 Effect of the spaces between orifice plates on airflow distribution uniformity in smoke box at ESP inlet

3.3 進口煙箱結構優化設計

拆除豎井煙道頂部原有的2片磨損嚴重的弧形導流板并采取以下優化措施：(1)其余設置不變，在豎井煙道中間Y=0.9 m處頂部橫梁加裝2塊弧形導流板，圓心角為60°，厚度為50 mm，半徑分別為3 600 mm和1 800 mm；(2)優化多孔均布板的布置間距和開孔率方式，如圖9所示。

圖9 電除塵器豎井煙道加裝導流板前、后數值模擬結果Fig.9 Numerical simulation results before and after installation of deflectors in vertical duct in ESP

由圖9可知，原進口煙箱的豎井煙道導流板幾乎不起任何作用，加上原結構本身有利于煙氣流向B室，因此，煙塵顆粒也隨煙氣嚴重偏流至B室入口。采取優化措施(2)后，增強了煙氣的湍流和擴散程度，致使煙氣分布更均勻。

鍋爐尾部電除塵器進口煙箱內部流場分布不均，會引發電場內部形成高、低速區域，產生局部渦流和死角。由于除塵效率在低速區有所增加，高速區有所降低，增加的除塵效率遠遠不及損失的除塵效率，總的除塵效率是下降的，因此，除塵效率會隨著氣流分布均勻性的改善而提高。

從表3可以看出，采取優化措施(1)后，A室入口段流動阻力壓降相比原結構降低了28 Pa左右，和B室入口段幾乎一樣，因此，A室入口煙氣流量會增大，B室則會降低，兩室流量偏差程度δ由優化前的±13.60%降至±2.09%；A，B兩室煙氣流的速度均方根也有一定程度的下降，但σ值均在0.16左右波動，其氣流分布狀況不佳。由此可見，導流板的布置方式對兩室煙氣流量分配的影響較為顯著，但對氣流均勻性的改善有一定局限性。而優化多孔均布板間距和開孔率方式，可大幅減少進口煙箱中的氣流偏轉和局部渦旋，σ值可達到0.08左右。

表3 電除塵器進口煙箱優化前、后預期結果Tab.3 Expected results before and after the optimization on the smoke box at ESP inlet

4 結論

電除塵器進口煙箱內的現場流場測試結果證實了數值模擬的可靠性和準確性。由于原進口煙箱布置不對稱且導流板和多孔均布板的設置存在一定問題，導致整體流場狀況很差。在豎井煙道中Y=0.9 m處安裝2塊圓心角為60°的弧形導流板，促使兩室偏流程度達到最低值(δ=±2.09%)；多孔板能有效解決氣流速度分布不均問題，即當每層多孔板安裝間距由大變小，開孔率由小變大時，會更容易獲得有利的氣流分布，安裝間距X1=1 800 mm，X2=1 200 mm，X3=1 000 mm以及開孔率K1=40%，K2=45%，K3=50%時，氣流分布均勻性可達到最優值(σ=0.08)。本工作可為電除塵器的優化設計與運行提供技術參考。