论文部分内容阅读
摘要针对新疆某电厂电除尘器入口气流不均匀导致的除尘效率低的问题，通过在除尘器前烟道内的增加导流板和气流挡板的方法，来优化流量的分配。本文使用数值模拟的方法对优化前后的电除尘器入口气流流量分配进行计算。
关键词除尘器前烟道，流量分配，数值模拟
1引言
影响电除尘器除尘效率的因素主要有：粉尘的比电阻影响、气流的均匀性、除尘器进口的含尘浓度、漏风、烟气量、极板间距等。经过多个电厂对于本厂所用电除尘器的历史测量数据分析、竣工图的查阅等工作，可以认为粉尘的比电阻影响、漏风、集尘极的振动、烟气量、极板间距等因素不是造成除尘器效率低的主要原因[1,2]。
要想对烟道的结构进行优化目前比较常用的研究方法是借助计算流体动力学（CFD）方法。CFD方法是一种有效的研究流体动力学的数值预测方法，它能够描述复杂几何体内部的三维流动现象并在整个设计过程中对设计者提供帮助。在设计的初期，CFD方法可以快速地评价设计并做出修改，而不需要花费原型生产和反复测试的代价；在设计中期，CFD手段用来研究设计变化对于研究对象的影响，减少未预料到的负面影响；在设计完成后，CFD可以提供试验中无法测量的一些流动细节，帮助设计者分析流动现象产生的原因，改进设计。CFD方法大大减少了设计的费用、时间同时降低了新设计带来的风险。通过计算流体力学技术可优化电除尘器前烟道的结构，比如增加烟气入口导流板以及气流挡板等，以便得到更均匀的分布流场，为烟道的优化设计提供可靠依据，极大地节省设计时间及费用[3,4]。
本文应用计算流体动力学软件ANSYS Fluent，对新疆某大型火电厂电除尘器前烟道进行了数值分析，并根据分析结果得到了除尘器入口气流流量分配均匀的烟道结构。
2电除尘器前烟道流场的数值模拟
本文按照新疆某电厂除尘器前烟道的实际尺寸（如图1所示），在Gambit软件中建立了计算的几何模型，如图2所示。
图1除尘器前烟道的实际尺寸
圖2除尘器前烟道的三维计算模型
使用三维非结构化网格对全流道进行网格划分。划分后的网格数为235万。
解算器我们选用商业软件Fluent来求解不可压缩N-S方程。湍流模型采用的是RNG k-ε模型，壁面采用标准壁面函数进行处理。
控制方程如下：
连续方程 （1）
动量方程（2）
其中，μeff是有效粘性系数，在标准k-ε湍流模型中μt为涡粘度，
湍动能和湍流耗散方程 （3）
（4）
式中，和的定义与标准方程中的一致，等效粘性系数μeff为分子粘性系数和湍流涡粘性系数之和：
在方程式（4）中的附加项R为：式中，，，，，，， 和 。
应用有限体积法对控制方程进行离散，变量存储在控制体中心。在差分格式中，压力项采用了二阶中心差分格式，速度项采用二阶迎风差分格式，湍动能项和湍动能耗散率项也采用二阶迎风差分格式。
采用SIMPLEC算法，实现压力和速度的耦合求解。在迭代计算时，应用亚松弛迭代。计算的流体工质为空气。边界条件设定如下：1）进口给定第一类边界条件：在烟道进口面处，根据流量给定进口速度大小，方向设为垂直于进口面；2）出口给定第二类边界条件：出口面设为自由出流面；3）流道各个壁面处给定第一类边界条件：固壁面采用无滑移边界条件；4）在开始计算时给定进口压力（0Pa）、速度和湍动能、湍流频率等参数的初值，其他参数采用第二类边界条件。为了保证计算的稳定性，在一个内点给定一个参考压力。
3结果与讨论
通过FLUENT的求解，可以得知在设计的烟道结构内，烟气的压力、速度分布。为了展示计算结果，对烟道进行切片处理，下面将计算区域中间截面的压力、速度分布计算结果显示如下：
图3除尘器前烟道的中间截面压力分布
图4除尘器前烟道的中间截面速度分布
从上图可知，烟道内的流动分布并不均匀，存在着低压、低速区，这对烟气的沿程阻力和流量分配会造成一定程度的影响。
较为常见的烟道流动处理方式是在烟道内部添加导流板，现在根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T 5121-2000）的规定在烟道内添加导流板并根据工程经验在适当的位置设置气流挡板。经过反复计算改进，得到了符合设计要求的烟道结构并重新建立计算模型如下：
图5增加导流板和气流挡板后的除尘器前烟道三维计算模型
将此模型进行网格划分并用Fluent进行计算，可以得到如下结果：
图6增加导流板和气流挡板后的除尘器前烟道中间截面的压力分布
图7增加导流板和气流挡板后的除尘器前烟道中间截面的压力分布
可见添加气流挡板对压力分布具有较好的均布作用，而对于速度则由于挡板的存在造成了一定的扰动，但挡板的设置却对除尘器入口流量的分配起到了很大的作用，经过计算，增加导流板和气流挡板前后烟道三个出口的流量分配如图8所示：
图8增加导流板和气流挡板前后的除尘器三个出口的烟气量分配
可见增加了气流挡板之后，三个出口的流量基本平均。而对于烟道沿程阻力损失，增加导流板和气流挡板并没有增加烟道内流动的沿程阻力损失，如图9所示。可见增加导流板和气流挡板对于合理分配除尘器入口的流量，提高除尘器效率起到了关键的作用。
图9增加导流板和气流挡板前后的除尘器内沿程阻力损失
4结论
综上所述，入口气流的均匀性是造成除尘器效率低的主要原因。通过CFD方法进行设计优化，在除尘器入口烟道适当位置设置导流板及气流挡板不仅不会增加烟道内烟气流动的沿程阻力损失还可以极大的改善除尘器入口气流分布的均匀性，是解决火电厂除尘器效率低下的有效手段。
参考文献
[1] 黎在时. 静电除尘器[M]. 北京 : 冶金工业出版社, 1993.
[2] 张衡. 200MW机组电除尘效率降低的原因和改进方法[J]. 热力发电, 2007, 36(7): 32-33.
[3] 沈强, 王文勇, 杨晶. Fluent软件在布袋除尘器中的应用[J]. 工业安全与环保, 2007, 33(7):25-26..
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词除尘器前烟道，流量分配，数值模拟
1引言
影响电除尘器除尘效率的因素主要有：粉尘的比电阻影响、气流的均匀性、除尘器进口的含尘浓度、漏风、烟气量、极板间距等。经过多个电厂对于本厂所用电除尘器的历史测量数据分析、竣工图的查阅等工作，可以认为粉尘的比电阻影响、漏风、集尘极的振动、烟气量、极板间距等因素不是造成除尘器效率低的主要原因[1,2]。
要想对烟道的结构进行优化目前比较常用的研究方法是借助计算流体动力学（CFD）方法。CFD方法是一种有效的研究流体动力学的数值预测方法，它能够描述复杂几何体内部的三维流动现象并在整个设计过程中对设计者提供帮助。在设计的初期，CFD方法可以快速地评价设计并做出修改，而不需要花费原型生产和反复测试的代价；在设计中期，CFD手段用来研究设计变化对于研究对象的影响，减少未预料到的负面影响；在设计完成后，CFD可以提供试验中无法测量的一些流动细节，帮助设计者分析流动现象产生的原因，改进设计。CFD方法大大减少了设计的费用、时间同时降低了新设计带来的风险。通过计算流体力学技术可优化电除尘器前烟道的结构，比如增加烟气入口导流板以及气流挡板等，以便得到更均匀的分布流场，为烟道的优化设计提供可靠依据，极大地节省设计时间及费用[3,4]。
本文应用计算流体动力学软件ANSYS Fluent，对新疆某大型火电厂电除尘器前烟道进行了数值分析，并根据分析结果得到了除尘器入口气流流量分配均匀的烟道结构。
2电除尘器前烟道流场的数值模拟
本文按照新疆某电厂除尘器前烟道的实际尺寸（如图1所示），在Gambit软件中建立了计算的几何模型，如图2所示。
图1除尘器前烟道的实际尺寸
圖2除尘器前烟道的三维计算模型
使用三维非结构化网格对全流道进行网格划分。划分后的网格数为235万。
解算器我们选用商业软件Fluent来求解不可压缩N-S方程。湍流模型采用的是RNG k-ε模型，壁面采用标准壁面函数进行处理。
控制方程如下：
连续方程 （1）
动量方程（2）
其中，μeff是有效粘性系数，在标准k-ε湍流模型中μt为涡粘度，
湍动能和湍流耗散方程 （3）
（4）
式中，和的定义与标准方程中的一致，等效粘性系数μeff为分子粘性系数和湍流涡粘性系数之和：
在方程式（4）中的附加项R为：式中，，，，，，， 和 。
应用有限体积法对控制方程进行离散，变量存储在控制体中心。在差分格式中，压力项采用了二阶中心差分格式，速度项采用二阶迎风差分格式，湍动能项和湍动能耗散率项也采用二阶迎风差分格式。
采用SIMPLEC算法，实现压力和速度的耦合求解。在迭代计算时，应用亚松弛迭代。计算的流体工质为空气。边界条件设定如下：1）进口给定第一类边界条件：在烟道进口面处，根据流量给定进口速度大小，方向设为垂直于进口面；2）出口给定第二类边界条件：出口面设为自由出流面；3）流道各个壁面处给定第一类边界条件：固壁面采用无滑移边界条件；4）在开始计算时给定进口压力（0Pa）、速度和湍动能、湍流频率等参数的初值，其他参数采用第二类边界条件。为了保证计算的稳定性，在一个内点给定一个参考压力。
3结果与讨论
通过FLUENT的求解，可以得知在设计的烟道结构内，烟气的压力、速度分布。为了展示计算结果，对烟道进行切片处理，下面将计算区域中间截面的压力、速度分布计算结果显示如下：
图3除尘器前烟道的中间截面压力分布
图4除尘器前烟道的中间截面速度分布
从上图可知，烟道内的流动分布并不均匀，存在着低压、低速区，这对烟气的沿程阻力和流量分配会造成一定程度的影响。
较为常见的烟道流动处理方式是在烟道内部添加导流板，现在根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T 5121-2000）的规定在烟道内添加导流板并根据工程经验在适当的位置设置气流挡板。经过反复计算改进，得到了符合设计要求的烟道结构并重新建立计算模型如下：
图5增加导流板和气流挡板后的除尘器前烟道三维计算模型
将此模型进行网格划分并用Fluent进行计算，可以得到如下结果：
图6增加导流板和气流挡板后的除尘器前烟道中间截面的压力分布
图7增加导流板和气流挡板后的除尘器前烟道中间截面的压力分布
可见添加气流挡板对压力分布具有较好的均布作用，而对于速度则由于挡板的存在造成了一定的扰动，但挡板的设置却对除尘器入口流量的分配起到了很大的作用，经过计算，增加导流板和气流挡板前后烟道三个出口的流量分配如图8所示：
图8增加导流板和气流挡板前后的除尘器三个出口的烟气量分配
可见增加了气流挡板之后，三个出口的流量基本平均。而对于烟道沿程阻力损失，增加导流板和气流挡板并没有增加烟道内流动的沿程阻力损失，如图9所示。可见增加导流板和气流挡板对于合理分配除尘器入口的流量，提高除尘器效率起到了关键的作用。
图9增加导流板和气流挡板前后的除尘器内沿程阻力损失
4结论
综上所述，入口气流的均匀性是造成除尘器效率低的主要原因。通过CFD方法进行设计优化，在除尘器入口烟道适当位置设置导流板及气流挡板不仅不会增加烟道内烟气流动的沿程阻力损失还可以极大的改善除尘器入口气流分布的均匀性，是解决火电厂除尘器效率低下的有效手段。
参考文献
[1] 黎在时. 静电除尘器[M]. 北京 : 冶金工业出版社, 1993.
[2] 张衡. 200MW机组电除尘效率降低的原因和改进方法[J]. 热力发电, 2007, 36(7): 32-33.
[3] 沈强, 王文勇, 杨晶. Fluent软件在布袋除尘器中的应用[J]. 工业安全与环保, 2007, 33(7):25-26..
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。