摘要：利用工程应用最多的k-ε模型，模拟布袋除尘器的前烟道导流板气流及入口喇叭口多孔板开孔率分布。计算结果表明，4个喇叭口入口气流分布中间低、周围高，烟气量占比分别为32.1%、33.6%、16.0%、18.3%，符合期望比例33%、33%、16.5%、16.5%。各喇叭口均布置1个前后板，前板气流分布偏下或两侧，中间方向气流偏少，最上方最少，从上至下其开孔率依次为19.1%、25.5%、38.25%、51%。而对于后板，其开孔率采用均匀布置，1&2后板开孔率为52.5%、3&4后板开孔率为42%。研究结果为布袋除尘器优化设计及运行提供了性能保证。
关键词：布袋除尘器；k-ε模型；烟道；喇叭口；多孔板；导流板
1 引言
袋式除尘器除尘效率高、粉尘适应性广、运行稳定，随着电厂超净排放逐渐成为主流，大型袋式除尘器将发挥越来越重要的作用[1~2]。布袋除尘器的前烟道和喇叭口入口为其关键前置部件，烟道内的导流板和喇叭口内的多孔板设计与其各室气量分布、气流均匀性关系密切，亦是袋式除尘器运行好坏的关键之一[3~8]。
建立物理模型对袋式除尘器进行试验研究耗时耗力，而数值模拟的入口边界条件可以非常灵活的改变，其模拟结果对除尘器安装、设计、运行策略的制定有很大的参考价值。为此，国内外学者利用FLEUNT软件和最新数值模拟理论，对电除尘器、布袋除尘器等各类除尘器的烟气流量分配、速度及压力的内部分布规律，以及烟道入口和进风支管导流板的优化进行了较多尝试。研究成果不仅为除尘器设计提供了一种新的思路，而且切实提高了除尘器内气流的均匀分布和提高除尘效率。本文利用FLEUNT软件，对布袋除尘器的前烟道及喇叭口内气流均布板同时进行数值模拟，确保优化设计袋式除尘器的导流板和多孔板的尺寸和布置，节省宝贵的实验费用和时间[9-13]。
2模型对象和目的
2.1 模拟对象
本模拟对象为大唐三门峡火电厂三期扩建工程5# 1000MW机组除尘器的烟道及入口喇叭口内流场分布，该锅炉为超超临界参数的变压直流Π型锅炉，最大连续蒸发量为2958t/h，设计煤种满负荷状态下除尘器入口参数如下：烟气流量2650000 Nm3/h、入口烟温134.3℃、含尘量41.9g/m3、水蒸汽体积比为7.5%。
本数值模型的范围从空预器出口烟道至除尘器出风喇叭口为止。整体模型尺寸与实际工程图纸尺寸相同，不对模型进行缩放，以保证数值模拟的准确性和可靠性。除此之外，一些输入条件，烟气入口温度、流量等条件都严格按照甲方提供的资料输入，以使得流场数值模拟可以和实际工程运行相对照，得到准确且可靠的设计优化设计方案。
2.2 模拟目的
由于袋式除尘器整体布置包含左右两边两种不同的单元，分别为单元1和单元2。其中，单元1包括4个除尘器单元，单元2包括3个除尘器单元，每个除尘器单元设置1个喇叭口，每个喇叭口设置前后2套多孔板，其三维模型见图1和图2所示，因此流场数值模拟会对两种不同的烟道和除尘器布置进行模拟计算。
此外，布袋除尘器进口烟道为喇叭口状（见图3），由于流道突然扩大，易引起局部漩涡，对除尘造成不利影响。
图3 单个袋式除尘单元器俯视图
本文主要目的在于确定烟道内导流板和除尘器喇叭口内孔板的最优化结构，对烟道内导流板和除尘器入口喇叭口内气流均布板进行设计验证，力争达到：①使单个除尘器内的烟气流量基本一致；②进入除尘器时流场分布符合业主要求，即大部分烟气不直接冲击到袋式初尘器上。即除尘器入口截面烟气流速相对偏差<15%，通过横截面积最大值和最小值间的偏差<±20%，除尘器入口到出口的总压损失最小，并确定喇叭口内多孔板最佳开孔方式及开孔率。
3 数值模拟方案
3.1 实施策略
布袋除尘器入口的流动分布决定了布袋除尘器的除尘效率，压降及运行可靠性等一系列运行性能，是袋式除尘器运行好坏的关键之一。通过增加导流板和多孔板的等措施来分配进入布袋除尘器的烟气流量，调整进入布袋除尘器入口流速分布是非常必要的。基于本项目的实际情况，流场数值模拟基本方法和假设如下[14-16]：
1.利用工程应用最多的k-ε模型来模拟流动过程中的湍流强度和耗散；
2.由于保温层的存在，烟气与外界的换热量较小，可以考虑使用绝热模型；
3.气流从烟道出口为均匀流动的状态；
4.气流出口为压力出口，压力值根据甲方提供的设计数据确定；
5.布袋除尘器的布袋部分可以使用多孔介质模型来模拟；
3.2 数学模型
3.2.1 连续性和动量方程
质量守恒方程又称连续性方程：
3.2.2 湍流模型
在计算中拟使用标准k-ε 模型，该模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。标准 k-ε模型因而只对完全是湍流的流场有效。
3.2.3 多孔介质条件
多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项（Darcy），另一个是内部损失项。通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，忽略对流加速以及扩散。在多孔介质中，介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度没有影响。如果介质的渗透性足够大，而且介质的几何尺度和湍流涡的尺度没有相互作用。
4 模拟结果
4.1 网格划分
图4 单元1网格划分
由于烟道及多孔板的结构的复杂性，本计算模型在烟道和喇叭口位置全部采用四面体网格，在除尘器部分采用六面体网格，其网格划分如图5所示。数值模型采用SIMPLE算法，模型采用二阶迎风格式，残差值的收敛标准均为10-5。
4.1 速度分布
图5-图8为满负荷下，单元1中四个除尘器单元入口的速度分布。单元1共连接4个布袋除尘器，每个除尘器设置1个喇叭口。
图6 除尘器单元2入口截面速度分布
图8 除尘器单元4入口截面速度分布
从图可知：4个喇叭口入口的流场分布均呈现中间低、周围高的现象，流速最高点均位于喇叭口的四周。经数值模拟，4个喇叭口入口烟气流量占总烟气量的比例分别为32.1%、33.6%、16.0%、18.3%，与期望比例33%、33%、16.5%、16.5%基本相符。以除尘器喇叭口单元1为例，若每隔0.5m选取一个测试点，可选取共计384个点，其平均速度为1.85m/s，标准方差0.11m/s，相对偏差5.9% <15%，喇叭口到除尘器段压降为108.7Pa。
4.3 前后板开孔率分布
布袋除尘器性能与气流速度分布密切相关，本项目每个喇叭口均布置前后板各1个，前板为气流分配的关键，要求气流应尽可能偏下或两侧，中间方向气流偏少，最上方最少。后板选用开孔率一致的均布板。最终目的是确保数值模拟过程中气流主要分向下部及两侧，不吹到下游的滤袋设备。
图9为1&2、图10为3&4除尘器单元前板开孔率示意图，从图可知，其开孔率分布规律与前述原则一致，共分为4档，从上至下依次为19.1%、25.5%、38.25%、51%。而对于后板，其开孔率采用均匀布置，1&2除尘器单元后板开孔率为52.5%、3&4除尘器单元后板开孔率为42%。
图9 除尘器单元1&2—前板开孔率
图10 除尘器单元3&4—前板开孔率
5 结论
本文根据k-ε计算模型，对布袋除尘器的烟道及入口喇叭口内流场分布进行数值模拟，求解其流场分布和开孔率，结果如下：
（1）数值模拟表明，喇叭口入口气流分布中间低、周围高，4个喇叭口入口烟气量占比分别为32.1%、33.6%、16.0%、18.3%，符合期望比例33%、33%、16.5%、16.5%。以除尘器喇叭口单元1为例，若按0.5m为间隔选取样本点，其平均速度为1.85m/s，标准方差0.11m/s，相对偏差5.9% <15%。
（2）每个喇叭口均布置1个前后板，前板为气流分配的关键，其气流分布偏下或两侧，中间方向气流偏少，最上方最少，其开孔率共分为4档，从上至下依次为19.1%、25.5%、38.25%、51%。而对于后板，其开孔率采用均匀布置，1&2后板开孔率为52.5%、3&4后板开孔率为42%。最终目的是确保数值模拟过程中气流主要分向下部及两侧，不吹到下游的滤袋设备。
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作者简介：
啜广毅（1961.6-），男，北京市人，北京广播电视大学，工程师，单位：大唐环境产业集团股份有限公司，研究方向：燃煤电厂烟气除尘。
论文作者:啜广毅
论文发表刊物:《电力设备》2016年第16期
论文发表时间:2016/11/9
标签：除尘器论文; 喇叭口论文; 数值论文; 气流论文; 单元论文; 入口论文; 多孔论文; 《电力设备》2016年第16期论文;