引言在火电机组系统中，引风机是重要的锅炉辅助设备，为抽取、输送炉膛烟气提供动力，保障锅炉安全稳定运行[1]。引风机出力不仅用于配合烟气系统设备运行，还用于克服烟道阻力，其耗电量对厂用电量的影响较大。目前，为了响应超低排放需求，在火电机组引风机后加装脱硫设备，但是连接烟道普遍存在紧凑、冗余、缺乏导流的现象，导致烟道阻力较大，引风机电耗增加、出力不足，甚至限制机组带负荷能力。因此，研究火电机组引风机烟道流场问题并进行烟道改造，对节能降耗具有较高的工程应用价值。近年来，基于数值仿真技术，烟道流场优化研究的主要手段为改变烟道结构、增加导流装置[2-7]，其中引风机烟道优化聚焦于降低阻力。胡善苗[8]研究引风机进出口烟道的几何特征对风机运行特性及流场特性的影响。任仰成[9]等诊断引风机出入口气流扰动是造成引风机异常振动的原因，利用导流设计消除了异音并降低了阻力。孔俊峰[10]等针对空预器至引风机烟道提出了不同的导流结构，分析对比其优化降阻效果。吕景霖[11]等通过设计导流板对引风机前、后烟道进行改造，并开展烟道改造前后的阻力测试以验收改造效果。某350 MW亚临界火电机组在进行脱硫增容改造后，烟气系统阻力大，引风机电耗高。文中结合计算流体力学方法和试验测量对该机组引风机至脱硫塔烟道开展流场问题诊断和降阻优化研究，提出的烟道改造方案被电厂实施，通过试验测量烟道降阻效果，对改造后经济效益进行评估。1烟道流场问题分析1.1模拟计算方法根据某350 MW亚临界火电机组引风机至脱硫塔烟道图纸，等比例建立烟道模型，烟道模型如图1所示。对计算空间进行离散，即对几何模型划分网格，由于导流板相对烟道尺寸偏小，网格划分过程中对导流板进行了网格加密处理，从而能够更好地描述结构性能。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F001图1烟道模型采用计算流体力学方法进行烟道流场模拟，在满足工程要求条件下，为了便于计算，模拟过程中作下列假设和简化：因该段烟道内烟气所产生的体积变化不大，将烟气视为不可压缩牛顿流体；忽略对烟气流场影响较小的烟道及导流板的支撑部件。连续方程和动量方程为：∂ui∂xi=0 (1)∂uiuj∂xi=-1ρ⋅∂p∂xi+∂∂xjν+νt∂uj∂xi+∂ui∂xj (2)式中：xi(j)——位置坐标（i(j)=1~3，分别表示坐标的3个方向分量）；ui(j)——气流在i(j)方向的速度分量，m/s；ρ——气流密度，kg/m3；v——气流的动力黏度，kg/(m·s)；vt——涡流的动力黏度，kg/(m·s)。能量方程为：∂uiT∂xi=∂∂xiνPr+νtPrt∂T∂xi (3)式中：T——气流温度，K；Pr——气流的普朗特数；Prt——涡流的普朗特数。湍动能k方程和湍流耗散率ε方程为：∂uik∂xi=∂∂xiν+νtσk∂k∂xi+Γ-ε (4)∂uiε∂xi=∂∂xiν+νtσk∂ε∂xi+c1Γε-c2ε2k+νε (5)式中：k——气流湍动能，J；σk——涡流的应力张量，N-1；Γ——由平均速度梯度引起的气流湍动能的产生项，J/s；ε——气流湍动能耗散率，J/s；c1——模型常数1，取1.44；c2——模型常数2，取1.9。模拟计算工况为BRL工况，具体边界参数：单台引风机烟气量285.6 m3/s、烟气密度0.91 kg/m3、烟气温度120 ℃、脱硫塔入口静压3 235 Pa。1.2模拟计算结果烟道沿程速度变化如图2所示。截面3四周、截面4底部、截面5及截面6内侧、截面7顶部均出现低速涡流，截面3之后烟道流动均匀性较差，全段烟道最大流速达27 m/s，大幅度超过烟风管道设计规程对350 MW工况下空预器后烟道的推荐设计流速(10~15 m/s)。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F002图2烟道沿程速度变化烟道y-z截面和x-y截面速度分布如图3和图4所示。图3烟道y-z截面速度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F3a1（a）前视10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F3a2（b）后视10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F004图4烟道x-y截面速度分布由图3和图4可知，A、B侧引风机烟气汇合处、烟道变径截面、多处弯头出现大面积流动偏离并产生涡流，导致烟道局部阻力大。烟道沿程阻力模拟结果如表1所示。阻力最突出的区域是风机B~截面4 (264 Pa)、截面5~截面7 (391 Pa)，全段阻力达764 Pa。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.T001表1烟道沿程阻力模拟结果区域阻力引风机A~截面1196引风机B~截面4264截面1~截面374截面3~截面5125截面5~截面7391Pa为了验证模拟结果的准确性，采用电子微压计、靠背管进行引风机至脱硫塔烟道阻力测量。截面平均动压为：pd=∑i=1npdin2 (6)式中：pd——截面平均动压，Pa；pdi——截面单测点动压，Pa；n——截面测点数量。测得烟道阻力为 792Pa，模拟结果与实测值相对误差为3.5%，在合理误差范围内，模拟计算可靠。该段烟道存在截面突变、缺乏导流、弯头多的问题，导致烟道局部阻力大，有必要对烟道结构进行优化。2烟道改造及评估2.1改造方案在满足现场空间布置的前提下，提出引风机至脱硫塔烟道改造方案，如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F005图5改造方案将引风机B侧出口垂直烟道的末端渐扩后汇入主烟道并增设导流板，在汇合后第1个弯头处加导流板，将第2个直角弯头改为外削角弯头并加以导流，去掉脱硫塔入口前的两个直角弯头，将烟道斜向变径至吸收塔入口前12 m截面，再水平延伸至脱硫塔入口。2.2改造方案模拟结果改造方案沿程速度变化如图6所示。截面3、截面4烟气流动更均匀，截面6~截面7的烟气速度因烟道渐扩而降低，经过一段水平直烟道后烟气进入脱硫塔的速度均匀，使该段烟道沿程阻力降低，全段烟气流速范围为9~15 m/s，基本满足设计规范要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F006图6改造方案沿程速度变化改造方案y-z和x-y截面速度分布如图7和图8所示。图7改造方案y-z截面速度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F7a1（a）前视10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F7a2（b）后视10.3969/j.issn.1004-7948.2023.09.014.F008图8改造方案x-y截面速度分布由图7和图8可知，A、B侧引风机烟气汇合后涡流减少，流动均匀性显著提高，脱硫塔入口前烟道速度变化平缓，消除了局部高速流动引起的阻力损失。阻力模拟结果显示，烟道改造方案全段阻力为419 Pa，减小了345 Pa，对阻力突出段优化效果明显，截面5~截面7降阻258 Pa。2.3改造后评估该火电机组采用文中方案进行引风机烟道改造。改造后的烟道阻力试验测量结果表明，BRL工况下烟道阻力实测值较改造前下降423 Pa。根据机组运行参数、试验结果对烟道改造效果进行评估。该机组年利用5 300 h、引风机年平均耗电率1.21%、平均负荷率75%、上网电价0.37元/kWh。结合烟道改造后的阻力测试结果，本次烟道改造有效节省了引风机电耗，厂用电率下降0.06%，供电煤耗减少0.22 g/kWh，获得经济效益39.34万元/a。3结语某350 MW亚临界火电机组出现烟气系统阻力大、引风机电耗高的现象。文中基于计算流体力学方法模拟BRL工况下引风机至脱硫塔烟道流场。结果显示，烟道烟气流动紊乱，多处存在流动偏离和涡流，烟道最大流速达27 m/s，导致局部阻力损失。对阻力模拟结果进行试验验证，两者相对误差为3.5%。根据烟道流场问题的分析发现，烟道阻力大的主要原因是烟道截面突变、缺乏导流、弯头多，有必要对烟道结构进行优化。对烟道阻力最突出的区域提出烟道改造方案，显著提高了流场均匀性，全段烟气流速为9~15 m/s，基本满足设计规范要求，阻力模拟值较原烟道减小345 Pa。电厂实施烟道改造后，该段烟道阻力实测值较改造前下降423 Pa，有效节省了引风机电耗。经评估，烟道改造后厂用电率下降0.06%、供电煤耗减少0.22 g/kWh，获得经济效益39.34万元/a。