烟道式余热锅炉进出口烟道烟气流场数值模拟(杭锅.周樟华)

烟道式余热锅炉进出口烟道烟气流场数值模拟
杭州锅炉集团有限公司周樟华彭鹏
摘要：在杭锅集团生产的某台燃机余热锅炉设计阶段，根据初步设计的结构形状和尺寸，对锅炉整体流场进行了数值模拟。

结果表明：出口烟道9o度拐角对锅炉尾部受热部件处烟气均匀性影响很小；但在进口烟道处，采用原设计结构将产生很大的回流区。

就此对进口烟道作多种方案的改进设计，并进行数值模拟，为最终的锅炉定型提供参考。

关键词：余热锅炉进口烟道出口烟道数值模拟
0 前言
余热锅炉利用燃气轮机排出的高温尾气或其它工艺设备排出的高温气体作为热源产生蒸汽，推动汽轮机工作，实现热能的梯级利用。

燃机余热锅炉还有建设周期短、投资少、起停速度快等优点，因此大力发展余热锅炉对缓解电力需求压力和环境保护具有重要的意义。

杭州锅炉集团有限公司是国内较早进入余热发电设备制造的锅炉企业之一，通过与国外著名公司的技术交流，已具备独立设计多种形式和不同容量余热锅炉的能力，目前其产品已经销往印度、巴基斯坦等东南亚各国。

杭州锅炉集团有限公司制造的某出口燃机余热锅炉，由于受场地限制，烟囱及引风机不能和余热锅炉布置在同一条直线上，出口烟道的烟气需经90度转角进入引风机，进口烟道的长度也受到限制。

在初步设计阶段，技术人员担心出口烟道90度拐角会造成引风机两个进口处速度不均，并进一步造成尾部受热面烟气流速不均，从而影响尾部受热部件传热效果；对于进口烟道，也存在进入高压过热器烟气速度是否均匀的顾虑。

本文通过对锅炉整体流场的数值模拟，得到一些具体的数值和形象直观的资料，为锅炉设计提供参考。

1 模拟对象及方法
模拟对象为某燃机余热锅炉从进口烟道至出口烟道，整个流场在x 方向跨度32．5m，Y方向跨度l1．5m，Z方向跨度13．5m。

在初步设计方案中，如图1所示，矩形管道中的高温烟气匀速进入余热锅炉进口烟道，经进口烟道后烟气流速降低，然后进入锅炉主体进行换热。

流经各换热部件后的烟气经过一段截面积逐渐缩小的喇叭形出口烟道，转9o度角分两路进入引风机，最后由引风机送人烟囱。

由于模拟对象是由比较规则的几何体所组成，因此采用六面体来划分网格，最终所划的网格数约在l1O万个。

余热锅炉的受热部件多为鳍片管，假如按照鳍片管的实际尺寸来建模，在划分网格时会遇到很大的困难，因此在模拟时将各受热部件当作多孔介质来处理。

图1中的黑色区域分别代表中压过热器、中压蒸发器、中压省煤器、低压过热器、除氧蒸发器和给水加热器。

对流经螺旋鳍片管的烟气压降，根据文献3提供的方程来处理，其公式如下：
式中，△Pg-通风阻力 G-烟气质量流速 N-纵向管排数ρ-密度 S1-管子横向节距 s-鳍片节距d-管径 h-鳍片高度
图1 余热锅炉整体几何模型
模拟对象内的烟气流动为三维稳态定常流动，方程的离散采用一阶迎风格式，压力场和速度场的耦合采用SIMPLE算法。

考虑到进口烟道处可能产生漩涡，因此采用能较好处理高应变率及流线弯曲程度的RNG κ-ε模型，其由湍流动能耗散率ε、湍流动能κ组成的湍流输运方程如下：
2 模拟设置及计算结果
图2是模拟对象尾部某高度截面上速度等势线图。

从图中可以看到，烟气在锅炉尾部受热部件处，流速比较均匀；进入9O度拐角处，由于流线长度不一致，内圈烟气流速高，外圈烟气流速低；在引风机两个通道处，左侧通道烟气流速较低，右侧通道烟气流速较高，这主要由于速度高的烟气惯性大，在90度拐角处，内圈有一部分烟气流向外圈。

余热锅炉受热部件主要是鳍片管，根据文献2和3所述，通过锅炉鳍片管烟气阻力损失，其数值与流速成指数关系。

以此推断，如果通过鳍片管时烟气流速不一致，将会引起压力的剧烈波动，从而反过来影响烟气流速，使各处流速均匀化，因此鳍片管处烟气流速是比较均匀的。

这种结论与文献1的计算结果一致。

图3是引风机两个进口截面烟气流速等势图，通道中流速差异造成两个进口截面烟气流速也不一致，左右两面上的平均速度分别是24．18m／s、27．03m／s。

从图中还可以看到，由于引风机布置的高度低于余热锅炉出
口烟道，两个引风机进口截面上的流速在高度方向上不一致，随着高度的降低，速度数值也降低。

图4是进口烟道中心截面上的流速矢量图，可以看出，一方面由于进口烟道上面板的仰角过大(为45度)，另一方面由于流速较大(为54.24m／s)，高速烟气进入烟道后，流通截面迅速扩大，烟气不能充分扩展到整个烟道就到达锅炉第一级受热部件；在进受热部件之前，由于高速气流在鳍片管处所受到的阻力很大，一部分烟气流向上运动，从鳍片管顶部流过。

这种先水平向前，后大角度向上的气流不但产生很强的卷吸气流，形成如图所示的大漩涡，还加剧第一级受热部件鳍片管的震动和磨损。

因此在实际锅炉运行时这种流场是一定要避免的。

3 各种改进方案数值模拟
如前面所述，大回流区的流场是不希望出现的，为了避免这种大回流区的流场，如表1所述，对进口以及进口烟道的形状和布置作了5个改进设计方案，并进行数值模拟。

表1 修改方案汇总表
图5～图9是各改进方案的数值模拟结果。

从图5看，增大烟道进口面积，把进口速度从 54．24 m／s 降到 36．16m／s 时，由于烟道上面板的夹角比较大，烟气在烟道中不能充分扩展，漩涡仍比较大。

从图6看，烟道进口附近加两块导向板，可有效地改善烟道内流场，使漩涡消失，烟道中各处气流分布均匀化。

但是在烟道内安装导流板，由于受高温烟气的高速冲刷，而且余热锅炉起停相对比较频繁，受热胀冷缩影响，导向板金属焊接位置热应力增加，运行存在安全隐患，增加维护费用。

图7是把烟道分两级布置，从模拟结果看，烟道中仍然存在回流区，但漩涡明显减小，流场速度均匀度也得到了进一步的提高，在杭锅以前所制造的多台余热锅炉中，进口烟道采用两级布置，其目的也就是提高烟道速度均匀性，减小或消除漩涡区。

图8是把烟道进口位置抬高，布置在中间。

这种方案，虽然进口烟道末端上下两个角存在小回流区，但流场速度均匀性较好，而且烟道出口速度多以水平方向为主，这样有利于降低前几排受热管的震动和磨损。

图9是在方案4的基础上，把进口烟道分两级布置，这样流场更均匀，漩涡范围进一步缩小。

通过以上分析，得到各种方案的流场，为进一步的设计提供参考。

在这些方案中，第5个方案烟气流速最均匀，流场回流区最小，是最理想的情况。

实际设计中，技术人员可根据现场具体情况和保证锅炉安全可靠运行的要求进行选择或适当的调整。

4 总结
通过对某一特定余热锅炉进出口烟道的数值模拟，得到其流场分布。

分析发现出口烟道90度拐角对余热锅炉尾部受热部件处烟气均匀性影响很小，但会引起引风机两个进口通道烟气流速不均。

初步设计的进口烟道形状由于上面板的仰角过大，将会产生大漩涡，不利于余热锅炉的运行。

通过对各进口烟道修改方案比较，发现增大烟道进口面积对流场均匀性改善很小；加导向板效果很好，但运行时存在安全隐患；把烟道进口放在中间，并分两级布置是一个比较理想的选择。

本次数值模拟结果与杭锅集团以前制造的余热锅炉实际运行状况相吻合，与美国 NOOTER/ERIKSEN 公司的标准及建议相一致，为余热锅炉进出口烟道设计提供形象直观的流场资料。

[1]赵剑云，潘维等．大型燃气轮机余热锅炉进口烟道速度均匀性研究（J）热力发电 2004，8，37-40。

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