(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司華中電力試驗研究院，鄭州 450000)

0 引 言

目前我國火電裝機容量約占全國電力總裝機容量的70%左右，火電機組是環(huán)境中煙塵排放的主要來源之一。為控制環(huán)境污染，國家對火電機組煙塵的排放做出了超低排放的相關(guān)規(guī)定。超低排放即在6%含氧量條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3，因此實施超低排放要求后對除塵器的性能要求也相應的提高。燃煤電廠常用的除塵器為電除塵和布帶除塵兩種。電除塵器是火力發(fā)電廠必備的配套設(shè)備，它的功能是將燃煤鍋爐排放煙氣中的顆粒煙塵加以清除，從而大幅度降低排入大氣層中的煙塵量，電除塵器是改善環(huán)境污染，提高空氣質(zhì)量的重要環(huán)保設(shè)備。它的工作原理是煙氣通過電除塵器主體結(jié)構(gòu)前的煙道時，使其煙塵帶正電荷，然后煙氣進入設(shè)置多層陰極板的電除塵器通道。由于帶正電荷煙塵與陰極電板的相互吸附作用，使煙氣中的顆粒煙塵吸附在陰極上，定時打擊陰極板，使具有一定厚度的煙塵在自重和振動的雙重作用下跌落在電除塵器結(jié)構(gòu)下方的灰斗中，從而達到清除煙氣中的煙塵的目的。國家實施超低排放政策后，對于電除塵器的除塵效率要求也進一步提高。由于除塵器入口煙氣流場不均，易造成各個電場的效率差別較大，影響除塵器正常運行。

1 設(shè)備情況

河南某電廠#3爐為超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Π型半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，該爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)，配660 MW汽輪發(fā)電機組。鍋爐尾部配備的電除塵器為浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰驹O(shè)計制造，為兩臺雙室五電場臥式除塵器。

該爐煙氣由A、B空氣預熱器出口，經(jīng)兩個垂直煙道轉(zhuǎn)彎后分別由四個水平煙道進入兩臺電除塵器,除塵后的煙氣經(jīng)四個水平煙道引出,甲、乙電除塵器的煙氣分別匯合后，由兩個垂直煙道分別引入兩臺引風機經(jīng)脫硫裝置后送入煙囪排向大氣。兩臺電除塵器設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)完全相同并對稱布置。每臺電除塵器的有效斷面積為456 m2。電除塵器設(shè)計保證效率≥99.75%。

2 研究問題

#3機組除塵器各室煙塵量偏差較大，煙塵進入除塵器前存在煙氣流場不均現(xiàn)象，造成兩側(cè)除塵效率偏差較大。對#3機組除塵器入口煙氣場參數(shù)摸底測試，發(fā)現(xiàn)除塵器入口各煙道煙氣場確存在流場不均問題。基于進入除塵器之前各室煙氣量的均勻性進行了計算機數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(jié)果，添加合適導流裝置，達到優(yōu)化除塵器各煙道煙氣場，改善除塵器各室煙塵量偏差大，減小兩側(cè)除塵效率偏差之目的。

3 原始情況及仿真模擬解決方案

3.1 原始結(jié)構(gòu)簡要介紹

原始結(jié)構(gòu)下煙氣經(jīng)脫硝出口進入空預器，煙氣由空預器出口經(jīng)過U型彎進入除塵器。進入除塵器之前，煙道一分為二。具體布置如圖1所示。

圖1 原始結(jié)構(gòu)除塵器前煙道布置圖

3.2 原結(jié)構(gòu)下CFD流場仿真

原機構(gòu)下除塵器前煙道全流程CFD仿真采用連續(xù)相加入離散相模型，以試驗時所取原煤及煙氣量為已知條件設(shè)定煙速及飛灰濃度，顆粒粒徑采用rOsin-rammler分布規(guī)律，分為10組粒徑。按實際尺寸1∶1建模，模型及網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 原始結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格圖

為方便仿真結(jié)果的分析，現(xiàn)將分析平面進行簡單定義，定義進口、出口一、出口二、平面一、平面二，各平面位置如圖3所示。

圖3 分析平面位置圖

3.3 速度場模擬結(jié)果

圖4為改造前(原始結(jié)構(gòu))截面plane1、plane2數(shù)值計算結(jié)果，從空預器出口的煙氣進入除塵器之前分成了兩部分，把分支后的兩個煙道分別命名為Outlet1、Outlet2。圖4可以看出，由于Outlet2煙道有明顯的轉(zhuǎn)彎過程，從產(chǎn)生漩渦及彎頭阻力方面考慮，Outlet2煙道阻力比Outlet1大，因此Outlet2的氣流量比Outlet1小，對Outlet1，Outlet2出口截面進行數(shù)據(jù)提取。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

圖4 原始結(jié)構(gòu)下煙道速度場云圖

表1 原始速度場模擬結(jié)果

單獨考慮各支煙道，Outlet2煙道內(nèi)煙氣速度場均勻性較差，煙道內(nèi)側(cè)速度高，外側(cè)速度低，這易造成Outlet2煙道出口截面速度場不均勻，造成除塵器入口均布板磨損，除塵效率下降等問題。

3.4 飛灰濃度場模擬結(jié)果

圖5中的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，高濃度及大顆粒的飛灰向Outlet2煙道內(nèi)側(cè)壁面富集，Outlet1均勻性好于Outlet2。

用Emax表示管壁最大磨損厚度，即磨損經(jīng)驗公式為：

由上述經(jīng)驗公式看出，催化劑的磨損與流速的三點三次方成正比、與顆粒的濃度成正比，與顆粒的直徑平方成正比，在流速均勻的情況下，不均勻磨損主要與入口飛灰濃度及飛灰顆粒度分布不均勻有關(guān)。原設(shè)計煙道分支前及分支后未設(shè)導流裝置，Outlet2煙道轉(zhuǎn)向后，由于飛灰顆粒的慣性作用，高濃度及大顆粒飛灰將沿Outlet2煙道內(nèi)壁富集，并貼壁向前，這易造成Outlet2出口截面飛灰濃度場不均勻，造成除塵器入口均布板磨損，除塵效率下降等問題。

4 設(shè)計方案及仿真模擬

基于原始結(jié)構(gòu)下煙氣場的數(shù)值模擬結(jié)果，綜合考慮兩側(cè)支煙道煙氣量偏差、飛灰量偏差兩方面的問題，通過添加不同功能性質(zhì)的導流裝置，以達到解決上述兩問題的目的，本方案通過大量工況的數(shù)值計算，提出了解決上述問題的導流裝置添加方式，具體如下。

在無源定位中，為便于算法描述，通常將時差轉(zhuǎn)化為雙基地距離.那么根據(jù)雙基地距離的定義，對應于外輻射源m和接收站n的雙基地距離為考慮到實際中存在的測量誤差，得到雙基地距離的觀測方程為

4.1 兩側(cè)支煙道煙氣量偏差解決方案

該方案重點考慮兩側(cè)支煙道煙氣量的偏差，不考慮同一支煙道內(nèi)的煙氣場偏差。

圖6 方案一速度場云圖

該方案只考慮兩側(cè)支煙道煙氣量偏差，導流裝置的布置方式為在煙道分支處添加一塊分割板，且該分割板具有13°的安裝角度，此種導流板的布置方式立足于改善Outlet2煙道煙氣量偏小的問題。經(jīng)過計算機數(shù)值模擬，對Outlet1，Outlet2出口截面進行數(shù)據(jù)提取，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

表2 加裝分割板后數(shù)據(jù)

從上表數(shù)據(jù)看出，單獨增設(shè)分隔板，能夠有效改善兩側(cè)支煙道煙氣量的偏差，但不能改善飛灰濃度及飛灰量的偏差。

飛灰濃度場模擬結(jié)果：

圖7 方案一飛灰顆粒粒徑分布及濃度分布圖

從圖7中飛灰濃度場看出，Outlet2煙道與原始結(jié)構(gòu)相比，沒有明顯改善，高濃度及大顆粒飛灰將沿Outlet2煙道內(nèi)壁富集，并貼壁向前。因此從單支Outlet2煙道飛灰濃度場來考慮，該種導流裝置布置方式，不能有效改善飛灰顆粒場的分布。

4.2 煙氣量，飛灰量綜合解決方案

速度場模擬結(jié)果，如圖8所示。

圖8 方案二速度場云圖

經(jīng)過計算機數(shù)值模擬，對Outlet1，Outlet2出口截面進行數(shù)據(jù)提取，統(tǒng)計得出見表3。

表3 加裝導流板后數(shù)據(jù)

從上表結(jié)果看出，該種導流裝置布置方式，能夠有效地同時改善兩側(cè)支煙道煙氣量的偏差及飛灰濃度的偏差。

飛灰濃度場模擬結(jié)果：

圖9 方案二飛灰顆粒粒徑分布及濃度分布圖

從圖9中飛灰濃度場看出，Outlet2煙道與原始結(jié)構(gòu)及4.1中方案相比，飛灰濃度分布有明顯改善，高濃度及大顆粒飛灰向Outlet2整個斷面擴散，貼壁現(xiàn)象明顯減輕。煙氣速度及飛灰顆粒分布均勻性均有明顯改善，這將有效減輕對除塵器入口均布板的磨損，為除塵器運行創(chuàng)造有利的工作環(huán)境。綜合考慮兩側(cè)支煙道煙氣量、飛灰量偏差，考慮Outlet2煙道內(nèi)速度場，飛灰顆粒場的均勻性，選取添加分隔板和導流板組合的方式作為改造方案。

5 改造后實測流速及改造后情況

在機組負荷660 MW情況下，對A側(cè)Outlet1 Outlet2電除塵器入口進行測試，測試了電除塵器入口實際煙氣量、飛灰濃度、飛灰量等改造前后數(shù)據(jù)對比見表4。

表4

6 結(jié)束語

(1)針對仿真模擬提出的改造方案1添加分隔板后，能夠有效改善兩側(cè)支煙道煙氣量的偏差，但不能改善飛灰濃度及飛灰量的偏差。

(2)針對仿真模擬提出的改造方案2添加導流板和分割板后，飛灰濃度分布有明顯改善，高濃度及大顆粒飛灰向Outlet2整個斷面擴散，貼壁現(xiàn)象明顯減輕。煙氣速度及飛灰顆粒分布均勻性均有明顯改善，這將有效減輕對除塵器入口均布板的磨損，為除塵器運行創(chuàng)造有利的工作環(huán)境。

(3)依據(jù)數(shù)值仿真方案改造后，實測入口煙塵濃度等情況與仿真情況一致，通過改造解決了煙塵量偏大的問題，數(shù)值模擬為改造提供了較強的依據(jù)。