樊樺,吳東垠

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

煙氣擋板在鍋爐運(yùn)行過程中可以調(diào)節(jié)煙氣流量,對維持和調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)部負(fù)壓和再熱汽溫等都非常重要[1-3]。良好的煙氣擋板流動(dòng)特性可以保證鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行。在冶金、石化和水泥等行業(yè)調(diào)整氣體流量時(shí)均涉及擋板,擋板流動(dòng)特性與許多工業(yè)生產(chǎn)過程密切相關(guān)。

流動(dòng)特性一般可以用速度云圖[4-7]、壓力云圖[8-11]、流阻系數(shù)[12-13]和流量系數(shù)[14]等描述,近年來常采用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬。賀惠民等采用Fluent軟件比較了某AP 1 000核電汽輪機(jī)的中壓閥在開度分別為90°、40°和10°下的兩相流與單相流的流場,并研究了閥門壓損及其主要影響因素[15]。廖志芳等利用CFD方法分析了DN 1 000上蓋式半球閥在8個(gè)開度下閥門內(nèi)部流場的變化情況,并根據(jù)相關(guān)公式得到各開度下的流阻系數(shù)和流量系數(shù),進(jìn)而提供了流阻系數(shù)曲線和流量系數(shù)曲線,較好地描述了該閥門在不同開度下的流動(dòng)特性[16]。孫曉等通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,研究了止回閥的壓力云圖、速度云圖和流阻系數(shù)與閥門前后壓力差之間的關(guān)系,并進(jìn)行閥芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[17]。鄧斌等基于各向異性多孔介質(zhì)與分布阻力的概念,采用修正k-ε模型和壁面函數(shù)法,計(jì)算了管殼式換熱器殼側(cè)的流動(dòng)特性,得到了殼側(cè)在不同雷諾數(shù)下的進(jìn)出口壓差和壓力分布,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值在流量較小時(shí)吻合良好[18]。Wang等采用數(shù)值模擬的方法研究了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料引射器的控制閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥內(nèi)流動(dòng)特性的影響[19]。Wu等采用CFD方法研究了壓力控制閥的壓力云圖、速度云圖和體積流量等,分析壓力控制閥的流動(dòng)-壓力特性,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果[20]。綜上所述,使用湍流模擬方法計(jì)算閥門等部件的內(nèi)部介質(zhì)流場,可以得到相應(yīng)的壓力云圖、速度云圖、流阻系數(shù)和流量系數(shù)等。這些關(guān)鍵參數(shù)均能夠反映流動(dòng)特性,為相應(yīng)部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及運(yùn)行工況調(diào)整奠定基礎(chǔ)。

本文采用CFD方法,利用Fluent軟件從速度云圖、壓力云圖、流阻系數(shù)和流量系數(shù)等方面詳細(xì)研究某煙氣擋板的流動(dòng)特性,優(yōu)化擋板運(yùn)行的開度區(qū)間,為煙氣擋板的設(shè)計(jì)、校核與選型提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

圖1為某煙氣擋板的三維模型圖,模型與實(shí)物尺寸一致。如圖1所示,該擋板的主體部分為3片可動(dòng)擋板,從上到下依次命名為擋板1、擋板2和擋板3。其中,擋板1和擋板3沿順時(shí)針方向打開,擋板2沿逆時(shí)針方向打開,最大旋轉(zhuǎn)角度均為90°。運(yùn)行過程中,3片擋板的旋轉(zhuǎn)角度一致,即若擋板1和擋板3沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)40°,則擋板2沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的角度也是40°,將3片擋板同時(shí)打開的角度定義為擋板開度,以θ表示。

圖1 煙氣擋板三維模型圖

1.2 計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置

將煙氣擋板安裝在圓管煙道內(nèi),取煙道一半為計(jì)算對象,設(shè)置橫截面為對稱邊界,其余邊界均設(shè)為固體邊界。煙氣溫度為350 ℃并且不可壓縮,則其密度和動(dòng)力黏度分別為0.571 kg/m3和2.995×10-5Pa·s。計(jì)算過程中,設(shè)置入口速度為18 m/s,出口壓力為0 Pa。本文分別模擬了θ為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°時(shí)煙道的速度云圖、壓力云圖、流阻系數(shù)和流量系數(shù)。假定流動(dòng)為定常流動(dòng),利用RNGk-ε雙方程湍流模型計(jì)算流場,并采用增強(qiáng)壁面函數(shù)修正。

圖2 θ=40°的網(wǎng)格劃分

1.3 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

為了減少計(jì)算量,本文取煙道的一半作為計(jì)算區(qū)域,并利用ICEM劃分計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格。由于擋板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域。圖2所示為θ=40°時(shí)80萬網(wǎng)格的劃分情況。由于θ=10°時(shí)的網(wǎng)格質(zhì)量最差,故采用θ=10°的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。將網(wǎng)格數(shù)劃分為18萬、24萬、34萬、50萬、80萬和138萬,分別計(jì)算擋板前后壓降,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出:當(dāng)網(wǎng)格數(shù)介于18萬～50萬時(shí),壓降隨著網(wǎng)格數(shù)的增加出現(xiàn)明顯波動(dòng),這是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在網(wǎng)格數(shù)目較少時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量差所致。網(wǎng)格數(shù)為80萬的計(jì)算結(jié)果和網(wǎng)格數(shù)為138萬的計(jì)算結(jié)果相差不大且無明顯波動(dòng),說明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為80萬時(shí),繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)目對計(jì)算結(jié)果影響不大。因此,為了保證計(jì)算精度同時(shí)節(jié)省計(jì)算資源,本文選擇80萬網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同開度對應(yīng)的煙氣擋板速度云圖

圖4所示為不同θ對應(yīng)的煙道中間截面的速度云圖,本文分別計(jì)算了θ為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°時(shí)的速度云圖,限于篇幅,圖4中僅列出有代表性的θ為10°、40°、80°和90°時(shí)的速度云圖。

(a)θ=10°

從圖4a可以看出:當(dāng)θ=10°時(shí),擋板下游開口附近的煙氣速度明顯高于其他區(qū)域的煙氣速度,且擋板2和擋板3之間的煙氣流速明顯大于擋板1和擋板2之間的煙氣流速。這是因?yàn)閾醢?和擋板2之間形成了擴(kuò)散結(jié)構(gòu),煙氣在擋板1和擋板2的上游開口處由于流通截面積較小,煙氣速度較大,因此煙氣流經(jīng)擴(kuò)散結(jié)構(gòu)向下游動(dòng)時(shí),隨著流通截面積增大,速度會相應(yīng)下降;與此對應(yīng),由于擋板2和擋板3之間形成收縮結(jié)構(gòu),煙氣在擋板2和擋板3的上游開口處速度較低,向下游流經(jīng)收縮結(jié)構(gòu)時(shí)速度明顯上升,在擋板2和擋板3的下游開口處形成明顯的高速區(qū)。如圖4b和圖4c所示,隨著擋板開度的增大,煙道內(nèi)高速區(qū)域增多,煙道上半部分的高速區(qū)域始終多于煙道下半部分,θ為20°、30°、50°、60°和70°時(shí),速度云圖的變化規(guī)律與上述一致,在此不再贅述。當(dāng)θ增大到80°時(shí),從圖4c中可以看出,煙道上半部分和下半部分的高速區(qū)域面積相近;若θ增大到90°,如圖4d所示,煙道上半部分和下半部分的高速區(qū)域面積幾乎完全相等,整個(gè)煙道內(nèi)速度場的均勻性最好。

從圖4還可以看出,若θ=10°,整個(gè)煙道內(nèi)煙氣的最大流速約為235 m/s,與煙氣入口速度18 m/s相差極大,說明θ=10°的煙道內(nèi)部速度場分布極不均勻。但是,隨著θ的增大,煙氣的最大速度快速降低,當(dāng)θ=40°時(shí),煙氣的最大流速下降到約92.9 m/s,煙道內(nèi)部速度場分布的均勻程度有了很大的提升。若θ繼續(xù)增大,煙氣的最大速度持續(xù)下降,但是下降的趨勢變緩,θ為20°、30°、50°、60°和70°時(shí),煙氣最大流速的變化趨勢與上述情況吻合。當(dāng)θ=90°時(shí),煙氣的最大速度降低到約31 m/s,與煙道入口速度18 m/s相差不大,煙道內(nèi)速度場分布基本均勻。

2.2 不同開度對應(yīng)的煙氣擋板壓力云圖

(a)θ=10°

圖5為不同θ對應(yīng)的煙道中間截面壓力云圖,本文分別計(jì)算了θ為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和90°時(shí)的壓力云圖,限于篇幅,下文僅列出θ分別為10°、40°、80°和90°時(shí)的速度云圖。當(dāng)θ=10°時(shí),從圖5a可以看出,擋板上游靜壓明顯大于擋板下游靜壓,壓力過渡區(qū)域面積非常小,煙氣壓力在擋板開口附近急劇下降。隨著θ的增大,擋板開口附近的壓力過渡區(qū)域的面積逐漸變大,擋板上、下游的壓力差也變得越來越小,壓力場分布的均勻化程度提高,θ為20°、30°、50°、60°和70°時(shí),壓力云圖的變化規(guī)律與上述一致。當(dāng)θ=80°時(shí),由圖5c可知,擋板上、下游的壓力相差不大,但在擋板上游開口附近仍然有局部高壓區(qū)域出現(xiàn),壓力場整體分布較為均勻;當(dāng)θ增大到90°時(shí),由圖5d所示,擋板上、下游的壓力非常接近,擋板附近幾乎沒有明顯的高壓區(qū)域出現(xiàn),此時(shí)壓力場分布相對于其他開度是最均勻的。

從圖5還可以看出:當(dāng)θ=10°時(shí),整個(gè)煙道內(nèi)煙氣的最大靜壓約為26.50 kPa,而最小靜壓約為-11.40 kPa,兩者之間相差37.90 kPa,說明煙道擋板附近的壓力場分布極不均勻。隨著擋板開度的增大,煙氣的最大靜壓迅速下降,最小靜壓迅速增大,二者之間的差值快速減小。當(dāng)θ=40°時(shí),煙道內(nèi)的煙氣最大靜壓約為1.58 kPa,最小靜壓約為-1.44 kPa,兩者之間相差3.02 kPa,其壓力場與θ=10°的情況相比其均勻化程度大幅度提高。若θ繼續(xù)增大,煙氣的最大靜壓下降和最小靜壓上升的速度明顯減緩,θ為20°、30°、50°、60°和70°時(shí),煙氣靜壓的變化規(guī)律與上述類似。若θ=90°,煙氣的最大靜壓約為0.13 kPa,最小靜壓約為-0.22 kPa,兩者之間相差僅為0.35 kPa,此時(shí)的煙氣壓力場分布非常均勻。

2.3 不同開度對應(yīng)的煙氣擋板流阻系數(shù)

流阻系數(shù)是評價(jià)節(jié)流元件流動(dòng)特性的一項(xiàng)重要指標(biāo),表征流體通過節(jié)流元件時(shí)產(chǎn)生的壓力損失的大小,其計(jì)算公式[21]如下

ξ=2Δp/(ρu2)

(1)

式中:ξ為流阻系數(shù);Δp為擋板前后壓差,Pa;ρ為煙氣密度,kg/m3;u為煙氣速度,m/s。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算得到不同擋板開度對應(yīng)的流阻系數(shù),如圖6所示。

圖6 不同擋板開度對應(yīng)的流阻系數(shù)

如圖6所示,ξ與θ基本呈反比例關(guān)系:當(dāng)θ較小時(shí),ξ隨著θ的增大迅速下降,θ=10°對應(yīng)的ξ為285.28,而θ=40°對應(yīng)的ξ為16.02,相比θ=10°而言下降了94.38%;當(dāng)θ較大時(shí),ξ隨著θ的增大而下降的趨勢變緩,當(dāng)θ=50°時(shí),對應(yīng)的ξ為7.47,相比θ=10°時(shí)下降了97.38%,而θ增大到90°時(shí),ξ為0.58,較θ=10°時(shí)下降了99.80%,說明該擋板在小開度下流動(dòng)阻力很大。為了降低擋板的阻力,保證設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,擋板的開度宜大于40°。

某電廠要求煙氣擋板在煙氣流速18 m/s下全開的阻力不超過100 Pa,根據(jù)式(1)換算成對應(yīng)流阻系數(shù),可得ξ為1.08,而數(shù)值模擬結(jié)果顯示θ=90°對應(yīng)的阻力僅為54 Pa,流阻系數(shù)為0.58,可見,該擋板特性滿足工程實(shí)際的要求。

2.4 不同開度對應(yīng)的煙氣擋板流量系數(shù)

流量系數(shù)表征流體在一定阻力下通過節(jié)流元件的流量,也可以用來評價(jià)流動(dòng)特性,其計(jì)算公式[21]如下

(2)

式中:Cv為流量系數(shù);Qv為煙氣流量,m3/h。

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和式(2)求得擋板的流量系數(shù)Cv,如圖7所示。

圖7 不同擋板開度對應(yīng)的流量系數(shù)

從圖7可知:Cv隨θ的增大而增大。當(dāng)θ≤10°時(shí),Cv隨θ的增大而增長的趨勢較為緩慢;當(dāng)θ=10°時(shí),Cv為532.69;當(dāng)θ=49°時(shí),Cv為2 247.81,與θ=10°時(shí)相比增大了321.97%;當(dāng)θ>10°后,Cv隨θ的增大而增加的趨勢較為迅速,θ=50°對應(yīng)的Cv為3 291.89,比θ=10°時(shí)增大了517.97%,而θ=80°對應(yīng)的Cv為10 059.31,較θ=10°時(shí)增大了1 788.40%。但是,當(dāng)θ從80°增大為90°時(shí),Cv隨著θ的增大而增加的速度略有下降,說明擋板在θ介于80°～90°之間的流量調(diào)節(jié)能力較弱,當(dāng)θ=90°時(shí),Cv最大,為11 775.72。

2.5 引風(fēng)機(jī)全壓恒定時(shí)的煙氣質(zhì)量流量特性

在實(shí)際應(yīng)用過程中,由于煙道內(nèi)煙氣的流動(dòng)與相關(guān)引風(fēng)機(jī)密切相關(guān),了解擋板在引風(fēng)機(jī)全壓恒定時(shí)的開度θ與煙氣質(zhì)量流量Q之間的關(guān)系非常重要。本文根據(jù)某電廠實(shí)際運(yùn)行需求,計(jì)算了當(dāng)余熱利用裝置的引風(fēng)機(jī)全壓為1 000 Pa時(shí),煙氣質(zhì)量流量Q與θ之間的關(guān)系。

當(dāng)引風(fēng)機(jī)全壓為100 Pa,即引風(fēng)機(jī)入口壓力為-1 000 Pa時(shí),假設(shè)從0壓點(diǎn)到引風(fēng)機(jī)入口的煙道尺寸不發(fā)生改變,則煙氣速度不發(fā)生變化。根據(jù)伯努利方程,從0壓點(diǎn)到引風(fēng)機(jī)入口處有

(3)

式中:ξ0為其他阻力系數(shù),表示壓點(diǎn)和引風(fēng)機(jī)之間擋板以外的其他所有阻力損失之和的阻力系數(shù),在本文范圍內(nèi)為常數(shù)。在上文數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中,當(dāng)θ=90°、u=18 m/s時(shí),ξ=0.58的工況比較符合某電廠的實(shí)際運(yùn)行需求,由此可得ξ0=10.23。將ξ0和ξ代入式(3),可以得到在引風(fēng)機(jī)全壓為1 000 Pa下不同擋板開度θ對應(yīng)的煙氣流速u,進(jìn)而得到煙氣質(zhì)量流量Q如圖8所示。

圖8 引風(fēng)機(jī)全壓為1 000 Pa時(shí)擋板的質(zhì)量流量

從圖8可以看出:當(dāng)引風(fēng)機(jī)全壓為1 000 Pa時(shí),Q隨著θ的增大而增長;當(dāng)1°≤θ≤60°時(shí),Q隨θ的增大而增大的趨勢近似為線性,當(dāng)θ=10°時(shí),Q為3.52 kg/s,當(dāng)θ=60°時(shí),Q為16.28 kg/s;若θ>60°,Q隨著θ的增大而增大的趨勢逐漸變慢,當(dāng)θ=70°時(shí),Q為17.62 kg/s,當(dāng)θ=80°時(shí),Q為18.22 kg/s,而θ=90°時(shí),Q最大,為18.4 kg/s。

根據(jù)某電廠鍋爐的運(yùn)行需要,要求θ每變化10°,煙氣質(zhì)量流量變化5%左右。為了優(yōu)化擋板的開度區(qū)間,假設(shè)相鄰兩個(gè)計(jì)算開度之間的流量分布近似為線性,則可以得到引風(fēng)機(jī)全壓為1 000 Pa時(shí)的煙氣質(zhì)量流量與擋板開度之間的分段函數(shù)

(4)

由式(4)可以計(jì)算擋板開度θ與煙氣質(zhì)量流量Q之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)θ=i時(shí),對應(yīng)的煙氣流量增長率qi的計(jì)算公式為

(5)

式中:Qi為θ=i時(shí)對應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量,kg/s;Qi-1為θ=i-1時(shí)對應(yīng)的煙氣質(zhì)量流量,kg/s。

由式(5)計(jì)算可知:當(dāng)θ≥17°時(shí),θ每增大1°,流量增長率q近似等于或小于5%,說明擋板的流動(dòng)調(diào)節(jié)能力較好;然而,在θ>80°后,θ每增大1°,流量增長率q僅為0.1%,說明此時(shí)擋板幾乎不具備調(diào)節(jié)流量的能力。因此,在擋板的實(shí)際工作過程中應(yīng)盡量使常用開度避開0°～16°和81°～89°的區(qū)間,盡可能在開度17°～80°之間調(diào)節(jié)煙氣的質(zhì)量流量。

綜合考慮前文計(jì)算得到的擋板的流阻系數(shù)特性和流量系數(shù)特性,建議該擋板的常用工作開度區(qū)間為40°～80°。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬方法,計(jì)算了煙氣速度為18 m/s時(shí)的煙氣擋板在9個(gè)開度下的速度云圖、壓力云圖、流阻系數(shù)和流量系數(shù),分析了該擋板的流動(dòng)特性,并結(jié)合某電廠鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況,研究了該擋板在引風(fēng)機(jī)全壓1 000 Pa下的質(zhì)量流量特性,確定了該擋板的優(yōu)化開度區(qū)間。

(1)對于速度云圖,當(dāng)θ較小時(shí),高速區(qū)主要集中在擋板開口處,并且煙道下游的高速區(qū)域的面積明顯大于上游;隨著θ的增大,煙道中高速區(qū)域變大,速度場均勻化程度變好,煙氣最大速度下降;當(dāng)θ=90°時(shí),煙道內(nèi)速度場分布基本均勻。對于壓力云圖,當(dāng)θ較小時(shí),擋板前后壓力相差很大;隨著θ的增大,擋板前后壓力差變小,壓力場分布均勻性變好;當(dāng)θ=90°時(shí),擋板前后壓力非常接近,壓力場分布基本均勻。

(2)擋板流阻系數(shù)ξ與擋板開度θ大致呈反比例關(guān)系。當(dāng)θ較小時(shí),ξ隨θ的增大而減小的速度很快。若θ較大,ξ隨θ的增大而減小的趨勢趨于平緩。因此,建議擋板常用工作開度應(yīng)大于40°。在煙氣速度為18 m/s的條件下,某電廠要求擋板全開阻力不得超過100 Pa,對應(yīng)擋板流阻系數(shù)ξ為1.08,模擬計(jì)算得到θ=90°對應(yīng)的ξ為0.58,滿足電廠實(shí)際運(yùn)行的需求。

(3)擋板流量系數(shù)Cv隨著擋板開度θ的增大而增大,當(dāng)θ較小時(shí),其速度較慢;當(dāng)θ較大時(shí),其速度較快,而θ從80°增大為90°時(shí),其速度略有下降。

(4)當(dāng)余熱利用裝置的引風(fēng)機(jī)全壓為1 000 Pa時(shí),若θ≥17°,θ每增大1°對應(yīng)的流量增長率q近似等于小于5%,擋板的流動(dòng)調(diào)節(jié)能力較好。而θ>80°后,θ每增大1°對應(yīng)的流量增長率q僅為0.1%,擋板流動(dòng)調(diào)節(jié)能力很差。因此,該擋板的流動(dòng)調(diào)節(jié)適用開度范圍為17°～80°。

(5)綜合考慮擋板流阻系數(shù)特性和流量調(diào)節(jié)特性,建議該擋板的常用工作開度介于40°～80°之間。