基于数值模拟的锅炉冷风道流场均匀性优化

朱少春

(上海电气集团股份有限公司电站分公司， 上海 201100)

电站锅炉风道内流场的均匀性对机组运行和设备使用有着重要的影响。如果流场分布极度不均，将严重影响流场内换热设备的使用效果[1]，并导致风道振动；而通过在风道内合理布置导流板可以明显改善流场的均匀性，提高换热器使用效果，同时减小风道振动[2-9]。因此，针对不同结构的风道，研究并设计合理的导流板以优化流场均匀性是十分重要的。笔者基于某海外330 MW燃油(气)电厂暖风器换热效果达不到设计值的实际情况，采用FLUENT软件对送风机出口风道内流场进行数值模拟，证实了风道内流场严重不均、风道上部存在较大回流区。为了改善流场的均匀性，须在送风机出口风道加装导流板，对导流板安装高度分别为635 mm和953 mm以及安装角度分别为10°和15°的方案进行了数值模拟，发现加装导流板可以明显改善送风机出口流场的均匀性，并确定了首选方案，为后续改造提供了理论依据。

1 送风机出口楔形风道布置

该电厂送风机采用离心式风机，风机出口为楔形风道(见图1)，风道内部未布置导流板，风道出口紧凑布置二次风暖风器，暖风器出口通过水平风道和矩形弯头连接至空气预热器入口。

根据自然射流的特点[10]，射流夹角一般在10°～12°，而笔者研究的送风机出口风道单侧夹角为20°，据此可以初步判断该风道内流场充满度较低、均匀性较差。同时，该风道与常见的对称布置的喇叭形风道不同，是非对称布置的楔形风道，导致经送风机加压后的二次风进入风道时形成偏心射流，而根据偏心射流的特点[11]，可以进一步判断该风道内流场上部会形成较大的回流区。

图1 送风机出口楔形风道纵向截面示意图

2 未布置导流板的风道内流场模拟

笔者采用数值模拟方法对送风机出口风道内流场进行计算，计算区域为楔形风道入口至与其连接的水平风道出口。为了简化模型，考虑到风道横向的对称性，选取风道纵向截面为研究对象，建立二维模型。为了便于后续分析，建模时选择送风机出口至暖风器入口的水平方向为X轴正向，自下而上的竖直方向为Y轴正向，送风机出口位于x=0 m处，暖风器入口位于x=5.7 m处。

2.1 确定物理模型和计算输入

数值模拟采用FLUENT计算软件，湍流模型选用标准k-ε双方程模型[12-13]：

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；x为X方向坐标，m；y为Y方向坐标，m；u为X方向速度，m/s；v为Y方向速度，m/s；φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

因为二次风流速为49.8 m/s，小于当地音速的30%，故可忽略流动的压缩性，将其作为不可压缩流动处理[12]。数值计算入口边界条件选择速度入口，出口边界条件选择压力出口，采用基于压力基的耦合式算法，各变量采用二阶离散[14-15]。经过网格划分并进行无关性验证，确定最终采用网格数为47 266即可满足计算要求。数值计算收敛的判据为各物理量残差小于10-3，且流场出口截面上流量稳定。

2.2 计算结果分析

图2为风道内速度分布云图。由图2可以看出：因风道夹角过大，二次风主要沿着风道下部流动，对上部扰动较小，故风道内流场呈现下部流速高、上部流速低的特点，风道竖直方向速度分布极度不均。

图2 风道内速度分布云图

图3和图4分别为风道内X方向分速度分布云图和流场轨迹线图。由图3、图4可以看出：在风道上部存在明显的回流区，即该区域X方向分速度为负值。

图3 风道内X方向分速度分布云图

图4 风道内流场轨迹线图

为了进一步研究暖风器入口处流场情况，选择x=5.7 m处为研究对象。图5为暖风器入口处沿着竖直方向二次风X方向分速度变化曲线，可以发现在y=0～2.8 m，X方向分速度为正值，在y=2.8～4.0 m，X方向分速度为负值，即暖风器入口存在明显的回流区，且回流区长度达1.2 m，占入口总高度的30%。

图5 x=5.7 m处X方向分速度变化曲线

上述计算结果与对送风机出口楔形风道内流场的初步判断基本一致，即风道内流场极度不均且存在明显的回流区，在暖风器入口处回流区更是高达30%，使得暖风器上部无法得到充分的利用，大大减小了暖风器的有效换热面积，成为影响二次风温升的重要原因，同时，流场不均也加剧了风道的振动。

3 导流板布置方案

为了减小流场不均对暖风器正常使用和风道振动的影响，必须改善风道内尤其是暖风器入口处流场的均匀性，为此须在风道内部加装导流板。考虑到电厂实际情况，在方便测量与焊接的前提下，导流板不宜太大，选取长度为2.85 m的导流板，通过调整安装标高和安装角度两个变量来进行计算和比较。首先，通过对比导流板加装在标高y=635 mm(送风机出口高度1/3)和y=953 mm(送风机出口高度1/2)处的流场情况，确定导流板加装的位置；其次，通过对比导流板加装角度为10°(楔形风道夹角的1/2)和15°(楔形风道夹角的2/3)时的流场情况，确定导流板加装的角度；最终，综合上述结果确定导流板最终应加装的位置和角度。以上方案与未布置导流板的方案(方案1)共形成4套方案，其简要描述见表1。

表1 导流板布置方案汇总表

3.1 不同方案下流场的定性比较

图6～图8分别为4套方案下风道内二次风速度分布云图、X方向分速度分布云图和流场轨迹线图。对比方案1和其他方案，可以发现加装导流板后人为地将大夹角的风道分为上下两个小夹角的风道，故风道内流场发生了明显的改变，二次风对风道上部扰动加强，上部流速明显增大，据此初步判断加装导流板可有利于改善流场均匀性。对比方案2和方案3，可以发现当导流板布置位置较低时，流场上部高速区域明显增多，但上部回流区也更大，据此定性判断导流板布置在较高处流场均匀性应更好。对比方案3和方案4，可以发现当增大导流板安装角度时，流场上部高速区域无明显变化，上部回流区缩小，但是在导流板下部出现了新的回流区，这主要是因为下部小风道夹角为15°，大于自然射流夹角，据此定性判断导流板角度为10°时，流场均匀性应更好。

图6 方案1～4下风道内速度分布云图

图7 方案1～4下风道内X方向分速度分布云图

图8 方案1～4下风道内流场轨迹线图

3.2 不同方案下流场的定量分析

为了对不同方案下的流场均匀性进行定量分析，选择暖风器入口处，即x=5.7 m处的速度变化曲线为研究对象进行比较。图9为方案1～4下暖风器入口处沿着竖直方向二次风X方向分速度变化曲线。由图9可以看出：加装导流板后，暖风器入口上部区域X方向分速度得到明显提高、流场均匀性得到明显改善；方案1～4下风道上部均出现了回流区，回流区长度依次为1.2 m、0.8 m、0.5 m、0.3 m，占入口总高度的比例依次为30%、20%、12.5%、7.5%。虽然方案4在暖风器入口处回流区小于方案3，但是方案4在导流板下部出现了新的回流区，流场的整体均匀性不如方案3，易加剧风道振动，故方案3更优。

图9 方案1～4下x=5.7 m处X方向分速度变化曲线对比

对整个风道内和暖风器入口处速度大小的标准方差进行计算和比较，结果见表2。由表2可以看出：方案3不论是整个风道内还是暖风器入口处，其速度大小的标准方差均最小，再次证明方案3下流场均匀性更好。

表2 方案1～4下速度标准方差汇总表 m/s

3.3 最优方案的确定

结合以上定性和定量分析，可以得出结论：当导流板加装标高为y=953 mm、角度为10°时，流场均匀性更好，应为首选方案。电厂根据该方案在送风机出口风道加装导流板后，测得二次风温升为61 K左右(改造前为50 K)，接近设计值，同时风道振动也有一定程度减弱。

4 结语

笔者对送风机出口楔形风道的特点进行分析，初步判断风道内流场严重不均且风道上部存在回流区；通过数值模拟方法对未布置导流板时的风道流场进行计算，结果显示风道内和暖风器入口处二次风速度的标准方差分别为19.6 m/s和20.0 m/s，且暖风器入口存在占总流通面积30%的回流区，验证了流场的不均匀性；通过对不同导流板布置方案下的流场进行定性和定量分析，确定导流板加装标高为y=953 mm、角度为10°时，流场均匀性更好，风道内和暖风器入口处二次风速度的标准方差分别减小至14.4 m/s和13.1 m/s，暖风器入口回流区减小至总流通面积的12.5%，能够明显提高二次风温升，并一定程度减弱风道振动。

电厂根据该方案进行改造并取得了很好的效果，充分说明了流场均匀性的重要性，后续工程项目中应在设计初期就加强对风道均匀性的计算，必要时引入数值模拟手段，以避免工程建设过程中再进行改造。