引言燃煤电厂烟道系统的设计水平直接决定流场均匀性，同时影响连接设备在运行中的安全性和经济性[1]。超低排放改造中，低温省煤器改造是常见的锅炉余热利用改造方式，通常布置在空预器与除尘器之间，通过回收尾部烟道的烟气余热以降低锅炉排烟损失[2]。现役燃煤电厂多数采用入口烟道不对称的双室除尘器，如果低温省煤器入口烟道及导流设计不合理，易引起烟道流场不均、含尘烟气局部高速流动，导致换热管屏交替出现磨损、积灰甚至堵塞现象[3]。目前，计算流体力学(CFD)技术已普遍应用于燃煤电厂不同位置烟风道的流场诊断和优化研究[4-5]，其中包括除尘器烟道优化。牟纳斯[6]探索含尘烟气流动偏流机制，对比分析出不同导流装置的效果。商振强[7]针对除尘器入口烟道开展了流速、阻力特性模拟并提出优化设计方案。针对尾部烟道受热面积灰、磨损的研究发现[8]，受热面磨损量与飞灰冲击速度的三次方成正比，应避免局部高速烟气流动现象；进入尾部烟道的飞灰粒径主要为10~30 μm，烟气流速为8~10 m/s时，迎风面不会积灰，尾部受热面的烟气流速设计值不应低于5 m/s。以某300 MW燃煤电厂为例，为了降低排烟温度，拟在除尘器前烟道进行低温省煤器改造，采用CFD方法，对该段含尘烟道流场进行数值模拟，在空间允许条件下设计并优化低温省煤器烟道布置，分析不同导流形式对速度均匀性、飞灰分布的影响。1数值模拟1.1物理模型对某300 MW燃煤电厂双室电除尘器前布置的低温省煤器的烟道进行模拟，烟道设计方案如图1所示。此段烟道不对称，A1侧烟道入口布置一组直导流板，该侧低温省煤器尺寸为5.1 m×3.6 m×2.4 m。A2侧烟道弯头布置一组弧形导流板，该侧低温省煤器尺寸为4.5 m×4.1 m×2.4 m。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F001图1烟道设计方案1.2数学模型采用六面体和楔形混合网格划分计算域，考虑导流板的边界层效应，采用对近壁面流动适应性更强的湍流模型，利用离散相模型模拟飞灰流动特性，对离散相模型及连续相模型进行耦合计算。根据该电厂BRL工况，采用质量流量入口边界及压力出口边界，入口烟气质量流量为192.75 kg/s，飞灰质量流量为6.0 kg/s。颗粒粒径分为10组粒径，最小粒径为0.004 mm，最大粒径为0.200 mm，平均粒径为0.040 mm。烟道壁面设置为绝热。2设计方案模拟结果设计方案低温省煤器的流场速度分布如图2所示。设计方案的烟道流场非常紊乱，烟气在垂直烟道弯头、水平烟道分流处均发生明显的流动偏离，各弯头出现涡流，大量烟气偏向A1侧流动，A2侧大面积流速偏低，A1侧和A2侧流量比为1.00∶0.46，烟道阻力为269 Pa。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F002图2设计方案低温省煤器的流场速度分布设计方案低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布如图3所示。设计方案低温省煤器入口速度分布严重不均匀。根据美国RMS标准[9]，以截面流速相对均方根表示截面流速偏差，A1、A2侧的流速偏差分别为55.97%和50.28%，其中截面最大流速达20.24 m/s，将加剧下游换热管局部磨损。此外，进入低温省煤器的飞灰明显聚集，飞灰浓度均匀性差，存在换热管积灰、磨损的风险。图3设计方案低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F3a1（a）速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F3a2（b）飞灰浓度3优化方案为了改善低温省煤器烟道流场均匀性，避免换热管积灰、磨损，提出3种烟道改造方案，如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F004图43种烟道改造方案各方案保持空预器出口位置不变，基于原低温省煤器体积，将两侧低温省煤器尺寸改为4.80 m×3.80 m×2.42 m，以实现低温省煤器入口平均流速为6~7 m/s。方案一增加弯头导流板，垂直烟道弯头加大转弯半径，水平烟道在±y方向加宽后立即分流，将A2侧烟道斜向布置，扩宽低温省煤器入口烟道，缩小低温省煤器出口烟道至原除尘器喇叭口。基于方案一，方案二将分流至A2侧的烟道改为流线型，同时调整导流板。方案三在方案二的基础上，增大分流后的烟道宽度，消除低温省煤器进出口烟道突变段，使烟道等截面延伸至除尘器喇叭口，在保持原有斜率下缩短喇叭口长度。4优化结果分析方案一低温省煤器的流场速度分布如图5所示。上游垂直段导流效果良好，使烟气较均匀转向水平烟道，A1、A2侧流量分配均匀性明显改善，两侧流量比为1.0∶1.1，烟道阻力为44 Pa。方案一低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布如图6所示。低温省煤器入口的速度及飞灰浓度分布更均匀，截面最大流速为9.85 m/s，飞灰分散程度提高，但A2侧低省入口出现局部高速流动且高飞灰浓度区域较多。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F005图5方案一低温省煤器的流场速度分布图6方案一低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F6a1（a）速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F6a2（b）飞灰浓度方案二低温省煤器的流场速度分布如图7所示。方案二采用流线型分流烟道，均流能力更强，流场内无明显低速涡流区域，A1、A2侧流量比为1.00∶1.02，烟道阻力为49 Pa。方案二低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布如图8所示。低温省煤器入口流动均匀性提高，截面最大流速为9.01 m/s，局部高速区域减少，但靠近底部存在飞灰聚集现象。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F007图7方案二低温省煤器的流场速度分布图8方案二低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F8a1（a）速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F8a2（b）飞灰浓度方案三低温省煤器的流场速度分布如图9所示。方案三增加了低温省煤器前直管段烟道长度，利于烟气充分流动，A1、A2侧流量比为1.00∶1.06，烟道阻力为52 Pa。方案三低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布如图10所示。低温省煤器入口速度分布均匀性进一步提高，A1、A2侧截面流速偏差减小至11.41%、11.36%，截面最大流速为8.54 m/s。与方案二相比，方案三低温省煤器入口底部的飞灰沉积现象得到改善，截面高飞灰浓度区域减少。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F009图9方案三低温省煤器的流场速度分布图10方案三低温省煤器入口速度、飞灰浓度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F10a1（a）速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.027.F10a2（b）飞灰浓度对比不同方案的优化性能，各方案的流量分配均匀性提高，A1、A2侧流量差分别为10%、2%和6%，低温省煤器入口平均流速均降至6~7 m/s，烟道阻力减小约220 Pa。方案一改造耗材小，飞灰流动均匀性较好，但低温省煤器入口最大流速约10 m/s，仍存在局部磨损的风险。方案二低温省煤器入口速度分布均匀性进一步改善，但飞灰浓度偏差较大。方案三改造工程量较大，均流效果最佳，低温省煤器入口最大流速降至8 m/s，截面流速偏差小于12%，飞灰分布均匀，低温省煤器入口流动均匀性良好。5结语低温省煤器烟道设计方案的A1和A2侧流量相差54%，多处弯头出现涡流，烟道阻力大，低温省煤器入口的A1和A2侧流速偏差为55.97%和50.28%，最大流速达20.24 m/s，有明显的飞灰聚集现象，易造成换热管屏局部磨损。3种烟道改造方案均能改善流量分配均匀性，使A1和A2侧流量差分别减小至10%、2%和6%，低温省煤器入口平均流速降至6~7 m/s，烟道阻力降低约220 Pa。各改造方案中，方案三的均流防磨效果最优，通过采用流线型分流烟道、增加低省前直烟道长度，使低省入口的最大流速降至8 m/s、截面流速偏差低于12%、飞灰分布均匀，明显提高了低温省煤器的入口流动均匀性，降低了换热管屏积灰、磨损的风险。